摘要：和傳統(tǒng)的傳感器相比,微型傳感器具有許多新特性,它們能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器的不足,具有廣泛的應(yīng)用前景,越來越受到重視。文中詳細(xì)介紹了一些微型傳感器件的結(jié)構(gòu)和原理,說明了微型傳感器的基本性能特點(diǎn)和微型傳感器的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：MEMS 技術(shù)；微型傳感器；智能化；多功能化
微型傳感器的特點(diǎn)
傳統(tǒng)的傳感器件因其制作工藝與半導(dǎo)體IC 工藝不兼容,所以無論在性能、尺寸和成本上都不能與通過IC 技術(shù)制作的高速度、高密度、小體積和低成本的信號處理器件相適應(yīng),于是制約了整個系統(tǒng)的集成化、批量化和性能的充分發(fā)揮。
微型傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的物理縮小的產(chǎn)物,而是以新的工作機(jī)制和物化效應(yīng),使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料,通過MEMS 加工技術(shù)制備的新一代傳感器件,具有小型化、集成化的特點(diǎn)，可以極大地提高傳感器性能。在信號傳輸前就可放大信號,從而減少干擾和傳輸噪音,提高信噪比;在芯片上集成反饋線路和補(bǔ)償線路,可改善輸出的線性度和頻響特性,降低誤差,提高靈敏度。
具有陣列性。可以在一塊芯片上集成敏感元件、放大電路和補(bǔ)償線路。可以把多個相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性,便于與微電子器件集成與封裝。
利用成熟的硅微半導(dǎo)體工藝加工制造,可以批量生產(chǎn),成本非常低廉。
典型的微型傳感器
微機(jī)械加速度傳感器
它是最早利用MEMS 技術(shù)開發(fā)成功,并取得廣泛應(yīng)用的微型傳感器之一。微加速度傳感器的主要工作方式有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式,現(xiàn)在又出現(xiàn)了微機(jī)械熱對流式加速度傳感器。
圖1 和圖2 分別給出了新型加速度傳感器作用原理和結(jié)構(gòu)示意圖。在懸臂梁的端部有一擴(kuò)散加熱電阻,加熱電阻通電后所產(chǎn)生的熱量全部沿梁和上下兩個散熱板傳遞。向上下兩個散熱板傳導(dǎo)熱量的速率取決于加熱電阻與散熱板間的距離,沿懸臂梁的溫度分布曲線由懸臂梁與散熱板間的相對位置來確定。可以通過分布在懸臂梁上的P 型硅/ 鋁熱電偶對懸臂梁溫度的測量來測定懸臂梁與兩個散熱板的相對位置,從而實(shí)現(xiàn)對加速度的測量。
這種傳感器的熱電偶具有很高的靈敏度,能夠直接輸出電壓信號,可以省去復(fù)雜的信號處理電路,并且對電磁干擾不敏感。在懸臂梁與散熱板的間距為140μm 和200μm、梁長為100μm、梁寬為4μm、梁厚為10μm 時,傳感器的靈敏度為1 mV/ g ,測量范圍為25g ,分辨率為0.003 g. 由于結(jié)構(gòu)中沒有大的質(zhì)量塊,微機(jī)械熱對流式加速度傳感器具有很強(qiáng)的抗沖擊能力,但其頻率響應(yīng)范圍很窄 。
微機(jī)械角速度傳感器
對于旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角度的檢測,需要采用陀螺儀。基于MEMS 技術(shù)的微機(jī)械陀螺因其成本低,能批量生產(chǎn),可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備、軍事設(shè)備等方面。微機(jī)械陀螺有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等,其工作原理基于哥氏效應(yīng)。
諧振式微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)如圖3 所示:它由固定在基底上的靜止驅(qū)動器、質(zhì)量塊(包括內(nèi)部動齒框架及外部框架) 和2 個雙端音叉諧振器(DETF) 組成。質(zhì)量塊通過4 個支承梁固定在基底上。當(dāng)在靜止驅(qū)動器上加上驅(qū)動電壓(角頻率為ωp) 時,質(zhì)量塊的內(nèi)部動齒框架作沿著y 軸方向的振蕩運(yùn)動。如果一個外部的繞z 軸的轉(zhuǎn)動(輸入信號Ω) 作用到芯片上,質(zhì)量塊產(chǎn)生沿x 軸方向的哥氏力,且通過內(nèi)支承梁轉(zhuǎn)移到外框架上, 外框架由兩對支承梁固定并可沿x 軸方向運(yùn)動,通過兩對杠桿這個力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個雙端音叉諧振器(DETF) 上。DETF 上輸出信號頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。
微機(jī)械陀螺的平面外輪廓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2 ,厚度僅為2μm. 而文獻(xiàn)給出的振動輪式硅微機(jī)械陀螺的直徑為1 mm ,厚度為19μm ,寬度為5μm ,電極間距為7μm.
微型氣敏傳感器
微型氣敏傳感器可分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。前者是以硅為襯底,敏感層為非硅材料,是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。氣敏傳感器的敏感性能與工作溫度有很大關(guān)系,要求傳感器系統(tǒng)本身具備加熱元件和溫度探測元件。而基于MEMS 技術(shù)的微型氣體傳感器具有高度集成化的特點(diǎn),易于將氣敏元件和溫度探測元件集成一體,保證了氣敏傳感器性能。
圖4 是一種體積僅為1 cm2 的二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該氣體傳感器的工作機(jī)理是基于非散射的紅外雙光束、雙波長的測量原理 。它的結(jié)構(gòu)包括一個常規(guī)的小型紅外光源、一個氣室和一個紅外探測單元。紅外探測單元由兩個單晶硅微型熱輻射儀、一個寬帶濾波器和一個微型可變紅外濾光片構(gòu)成,參考信號源可以補(bǔ)償由于光源污染產(chǎn)生的測量信號衰減帶來的影響。在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)2000 ×10 - 6的樣氣中,該傳感器具有20 ×10 - 6的分辨力(1σ) ,時間常數(shù)為3 s.
微型光傳感器
圖5 是一種集成微型位移光傳感器的顯微照片。該傳感器基底面積為750μm ×80μm ,單片集成激光二極管(LD) ,聚酰亞胺光波導(dǎo)和分離式光電二極管(PD) 。它將來自LD 的光束照射到測量目標(biāo)上,用分離式光電二極管探測其反射光斑。若物體移位,則光電二極管上的光斑會隨之移動。用雙分離式PD 的工作功率求出位移量,從而可以高精度測量被測目標(biāo)的位移。該傳感器的測量范圍為7.2μm ,分辨率為4 nm(光功率為0.5 mW) 和1.7 nm(光功率為1 mW) 。
微型電場傳感器
電場傳感器是基于導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理。圖6 提供了一種基于MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)的微型電場傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器由振動和感應(yīng)兩大部分組成。振動部分的核心是振動膜,由氮化硅(Si3N4)薄膜制備,可以在圖示的垂直方向上振動。感應(yīng)電極、屏蔽電極和激振電極對由分別生長在振動膜和感應(yīng)部分上的金屬電極構(gòu)成。屏蔽電極接地,其上有孔形陣列。傳感器工作時,激振電極對連接交流電壓源,通過兩個電極間的庫侖力作用引起振動膜垂直振動。調(diào)節(jié)交流電壓頻率,使振動膜在諧振點(diǎn)附近達(dá)到預(yù)定的振幅。此時感應(yīng)電極接受經(jīng)過屏蔽電極周期性屏蔽的電場,產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)前置放大后接外部檢測電路。微電場傳感器彌補(bǔ)了一般電場傳感器體積大、能耗高的缺點(diǎn),可以應(yīng)用于各種環(huán)境下靜電場及低頻電場的測量,有著廣闊的應(yīng)用前景 。
微型傳感器的發(fā)展趨勢
微型傳感器的智能化
具有自診斷、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償功能,能夠?qū)崿F(xiàn)對信息的存儲和記憶,能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測量和對信號數(shù)據(jù)的實(shí)時處理,并且實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出。
智能微型傳感器可以從根本上改變傳統(tǒng)傳感器功能單一的狀況,把對物理信號的探測、分析和數(shù)字化處理集成。不僅使傳感系統(tǒng)的性能得到極大地提高,而且能夠簡化傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì),大大降低成本。
如今,在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)微型傳感器初步智能化的基礎(chǔ)上,人們正利用模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)力圖實(shí)現(xiàn)微傳感器智能化的更高形態(tài)—分布式網(wǎng)絡(luò)化 。
微型傳感器的多功能化
借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)及其各不相同的表征方式,用單獨(dú)一個傳感器系統(tǒng)來同時實(shí)現(xiàn)多種傳感器的功能,這是目前微型傳感器技術(shù)一個全新的發(fā)展方向。
多功能微型傳感器可以對多種物理量進(jìn)行探測。比如,微型數(shù)字式三端口傳感器就是同時采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件進(jìn)行組配,從而達(dá)到探測多種信號目的,這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號,而且還能夠輸出頻率信號和數(shù)字信號。
多功能微傳感器在許多應(yīng)用領(lǐng)域中可以全面而準(zhǔn)確的反映客觀對象。對它的研究多集中在觸覺敏感、嗅覺傳感以及視聽辨別等各類仿生傳感器上,比如由PVDF 材料、無觸點(diǎn)皮膚敏感系統(tǒng)以及橡膠觸覺傳感器等組成人造皮膚觸覺傳感器;由交叉選擇式氣體傳感器陳列和恰當(dāng)模式識別系統(tǒng)組成的,具有識別簡單和復(fù)雜氣味的能力的“電子鼻”等。
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