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(lái)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(shuō)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(shì)。
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(wú)論在性能、尺寸和成本上都不能與通過(guò)IC 技術(shù)制作的高速度、高密度、小體積和低成本的信號(hào)處理器件相適應(yīng),于是制約了整個(gè)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(jiǎn)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(guò)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(hào)傳輸前就可放大信號(hào),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(gè)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(duì)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(gè)散熱板傳遞。向上下兩個(gè)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(duì)位置來(lái)確定。可以通過(guò)分布在懸臂梁上的P 型硅/ 鋁熱電偶對(duì)懸臂梁溫度的測(cè)量來(lái)測(cè)定懸臂梁與兩個(gè)散熱板的相對(duì)位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)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(hào),可以省去復(fù)雜的信號(hào)處理電路,并且對(duì)電磁干擾不敏感。在懸臂梁與散熱板的間距為140μm 和200μm、梁長(zhǎng)為100μm、梁寬為4μm、梁厚為10μm 時(shí),傳感器的靈敏度為1 mV/ g ,測(cè)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(duì)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(duì)于旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè),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(dòng)器、質(zhì)量塊(包括內(nèi)部動(dòng)齒框架及外部框架) 和2 個(gè)雙端音叉諧振器(DETF) 組成。質(zhì)量塊通過(guò)4 個(gè)支承梁固定在基底上。當(dāng)在靜止驅(qū)動(dòng)器上加上驅(qū)動(dòng)電壓(角頻率為ωp) 時(shí),質(zhì)量塊的內(nèi)部動(dòng)齒框架作沿著y 軸方向的振蕩運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)外部的繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)(輸入信號(hào)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(guò)內(nèi)支承梁轉(zhuǎn)移到外框架上, 外框架由兩對(duì)支承梁固定并可沿x 軸方向運(yùn)動(dòng),通過(guò)兩對(duì)杠桿這個(gè)力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個(gè)雙端音叉諧振器(DETF) 上。DETF 上輸出信號(hào)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(dòng)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(cè)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(cè)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(zhǎng)的測(cè)量原理 。它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)常規(guī)的小型紅外光源、一個(gè)氣室和一個(gè)紅外探測(cè)單元。紅外探測(cè)單元由兩個(gè)單晶硅微型熱輻射儀、一個(gè)寬帶濾波器和一個(gè)微型可變紅外濾光片構(gòu)成,參考信號(hào)源可以補(bǔ)償由于光源污染產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)衰減帶來(lái)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(shí)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(lái)自LD 的光束照射到測(cè)量目標(biāo)上,用分離式光電二極管探測(cè)其反射光斑。若物體移位,則光電二極管上的光斑會(huì)隨之移動(dòng)。用雙分離式PD 的工作功率求出位移量,從而可以高精度測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的位移。該傳感器的測(cè)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(chǎng)傳感器
電場(chǎng)傳感器是基于導(dǎo)體在電場(chǎng)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(chǎng)傳感器的結(jié)構(gòu)圖。傳感器由振動(dòng)和感應(yīng)兩大部分組成。振動(dòng)部分的核心是振動(dòng)膜,由氮化硅(Si3N4)薄膜制備,可以在圖示的垂直方向上振動(dòng)。感應(yīng)電極、屏蔽電極和激振電極對(duì)由分別生長(zhǎng)在振動(dòng)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(shí),激振電極對(duì)連接交流電壓源,通過(guò)兩個(gè)電極間的庫(kù)侖力作用引起振動(dòng)膜垂直振動(dòng)。調(diào)節(jié)交流電壓頻率,使振動(dòng)膜在諧振點(diǎn)附近達(dá)到預(yù)定的振幅。此時(shí)感應(yīng)電極接受經(jīng)過(guò)屏蔽電極周期性屏蔽的電場(chǎng),產(chǎn)生感應(yīng)電流,經(jīng)前置放大后接外部檢測(cè)電路。微電場(chǎng)傳感器彌補(bǔ)了一般電場(chǎng)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(chǎng)及低頻電場(chǎng)的測(cè)量,有著廣闊的應(yīng)用前景 。
微型傳感器的發(fā)展趨勢(shì)
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(duì)信息的存儲(chǔ)和記憶,能夠完成多傳感器多參數(shù)混合測(cè)量和對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)物理信號(hào)的探測(cè)、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(jiǎn)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(gè)傳感器系統(tǒng)來(lái)同時(shí)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(gè)全新的發(fā)展方向。
多功能微型傳感器可以對(duì)多種物理量進(jìn)行探測(cè)。比如,微型數(shù)字式三端口傳感器就是同時(shí)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(cè)多種信號(hào)目的,這種組配方式的傳感器不但能夠輸出模擬信號(hào),而且還能夠輸出頻率信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。
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(duì)象。對(duì)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(wú)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(shí)別系統(tǒng)組成的,具有識(shí)別簡(jiǎn)單和復(fù)雜氣味的能力的“電子鼻”等。
