基于MEMS技术的微型传感器
摘要：和传统的传感器相比,微型传感器具有许多新特性,它们能够弥补传统传感器的不足,具有广泛的应用前景,越来越受到重视。文中详细介绍了一些微型传感器件的结构和原理,说明了微型传感器的基本性能特点和微型传感器的发展趋势。
关键词：MEMS 技术；微型传感器；智能化；多功能化
微型传感器的特点
传统的传感器件因其制作工艺与半导体IC 工艺不兼容,所以无论在性能、尺寸和成本上都不能与通过IC 技术制作的高速度、高密度、小体积和低成本的信号处理器件相适应,于是制约了整个系统的集成化、批量化和性能的充分发挥。
微型传感器不是传统传感器简单的物理缩小的产物,而是以新的工作机制和物化效应,使用标准半导体工艺兼容的材料,通过MEMS 加工技术制备的新一代传感器件,具有小型化、集成化的特点，可以极大地提高传感器性能。在信号传输前就可放大信号,从而减少干扰和传输噪音,提高信噪比;在芯片上集成反馈线路和补偿线路,可改善输出的线性度和频响特性,降低误差,提高灵敏度。
具有阵列性。可以在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路。可以把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性,便于与微电子器件集成与封装。
利用成熟的硅微半导体工艺加工制造,可以批量生产,成本非常低廉。
典型的微型传感器
微机械加速度传感器
它是最早利用MEMS 技术开发成功,并取得广泛应用的微型传感器之一。微加速度传感器的主要工作方式有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式,现在又出现了微机械热对流式加速度传感器。
图1 和图2 分别给出了新型加速度传感器作用原理和结构示意图。在悬臂梁的端部有一扩散加热电阻,加热电阻通电后所产生的热量全部沿梁和上下两个散热板传递。向上下两个散热板传导热量的速率取决于加热电阻与散热板间的距离,沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板间的相对位置来确定。可以通过分布在悬臂梁上的P 型硅/ 铝热电偶对悬臂梁温度的测量来测定悬臂梁与两个散热板的相对位置,从而实现对加速度的测量。
这种传感器的热电偶具有很高的灵敏度,能够直接输出电压信号,可以省去复杂的信号处理电路,并且对电磁干扰不敏感。在悬臂梁与散热板的间距为140μm 和200μm、梁长为100μm、梁宽为4μm、梁厚为10μm 时,传感器的灵敏度为1 mV/ g ,测量范围为
微机械角速度传感器
对于旋转角速度和旋转角度的检测,需要采用陀螺仪。基于MEMS 技术的微机械陀螺因其成本低,能批量生产,可广泛应用于汽车牵引控制系统、医用设备、军事设备等方面。微机械陀螺有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构等,其工作原理基于哥氏效应。
谐振式微机械陀螺的结构如图3 所示:它由固定在基底上的静止驱动器、质量块(包括内部动齿框架及外部框架) 和2 个双端音叉谐振器(DETF) 组成。质量块通过4 个支承梁固定在基底上。当在静止驱动器上加上驱动电压(角频率为ωp) 时,质量块的内部动齿框架作沿着y 轴方向的振荡运动。如果一个外部的绕z 轴的转动(输入信号Ω) 作用到芯片上,质量块产生沿x 轴方向的哥氏力,且通过内支承梁转移到外框架上, 外框架由两对支承梁固定并可沿x 轴方向运动,通过两对杠杆这个力被放大并传递到外框架两边的两个双端音叉谐振器(DETF) 上。DETF 上输出信号频率的变化就反映了输入角速率的变化。
微机械陀螺的平面外轮廓的结构参数为
微型气敏传感器
微型气敏传感器可分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。前者是以硅为衬底,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。气敏传感器的敏感性能与工作温度有很大关系,要求传感器系统本身具备加热元件和温度探测元件。而基于MEMS 技术的微型气体传感器具有高度集成化的特点,易于将气敏元件和温度探测元件集成一体,保证了气敏传感器性能。
图4 是一种体积仅为
微型光传感器
图5 是一种集成微型位移光传感器的显微照片。该传感器基底面积为750μm ×80μm ,单片集成激光二极管(LD) ,聚酰亚胺光波导和分离式光电二极管(PD) 。它将来自LD 的光束照射到测量目标上,用分离式光电二极管探测其反射光斑。若物体移位,则光电二极管上的光斑会随之移动。用双分离式PD 的工作功率求出位移量,从而可以高精度测量被测目标的位移。该传感器的测量范围为7.2μm ,分辨率为4 nm(光功率为0.5 mW) 和1.7 nm(光功率为1 mW) 。
微型电场传感器
电场传感器是基于导体在电场中产生感应电荷的原理。图6 提供了一种基于MEMS 技术设计的微型电场传感器的结构图。传感器由振动和感应两大部分组成。振动部分的核心是振动膜,由氮化硅(Si3N4)薄膜制备,可以在图示的垂直方向上振动。感应电极、屏蔽电极和激振电极对由分别生长在振动膜和感应部分上的金属电极构成。屏蔽电极接地,其上有孔形阵列。传感器工作时,激振电极对连接交流电压源,通过两个电极间的库仑力作用引起振动膜垂直振动。调节交流电压频率,使振动膜在谐振点附近达到预定的振幅。此时感应电极接受经过屏蔽电极周期性屏蔽的电场,产生感应电流,经前置放大后接外部检测电路。微电场传感器弥补了一般电场传感器体积大、能耗高的缺点,可以应用于各种环境下静电场及低频电场的测量,有着广阔的应用前景 。
微型传感器的发展趋势
微型传感器的智能化
具有自诊断、自校准、自补偿功能,能够实现对信息的存储和记忆,能够完成多传感器多参数混合测量和对信号数据的实时处理,并且实现数字量的输出。
智能微型传感器可以从根本上改变传统传感器功能单一的状况,把对物理信号的探测、分析和数字化处理集成。不仅使传感系统的性能得到极大地提高,而且能够简化传感系统的设计,大大降低成本。
如今,在已经实现微型传感器初步智能化的基础上,人们正利用模糊理论和神经网络等技术力图实现微传感器智能化的更高形态—分布式网络化 。
微型传感器的多功能化
借助于敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式,用单独一个传感器系统来同时实现多种传感器的功能,这是目前微型传感器技术一个全新的发展方向。
多功能微型传感器可以对多种物理量进行探测。比如,微型数字式三端口传感器就是同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件进行组配,从而达到探测多种信号目的,这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号,而且还能够输出频率信号和数字信号。
多功能微传感器在许多应用领域中可以全面而准确的反映客观对象。对它的研究多集中在触觉敏感、嗅觉传感以及视听辨别等各类仿生传感器上,比如由PVDF 材料、无触点皮肤敏感系统以及橡胶触觉传感器等组成人造皮肤触觉传感器;由交叉选择式气体传感器陈列和恰当模式识别系统组成的,具有识别简单和复杂气味的能力的“电子鼻”等。
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