微傳感器研究的現(xiàn)狀與性能發(fā)展方向

壓阻式壓力傳感器由于受p?n結(jié)耐溫限制，只能用于120℃以下的工作溫度，然而在許多領(lǐng)域迫切需要能夠在高低溫下正常工作的壓力傳感器,例如測量鍋爐、管道、高溫容器內(nèi)的壓力，井下壓力和各種發(fā)動機(jī)腔體內(nèi)的壓力。目前對高溫壓力傳感器的研究主要包括SOS、SOI、SiC、Poly?Si合金薄膜濺射壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器、高溫電容式壓力傳感器等。其中6H?SiC高溫壓力傳感器可望在600℃下應(yīng)用。

開發(fā)諧振式壓力傳感器。

    微機(jī)械諧振式壓力傳感器除了具有普通微傳感器的優(yōu)點外，還具有準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力和測量精度高的優(yōu)點。硅微諧振式傳感器的激勵/檢測方式有電磁激勵/電磁拾振、靜電激勵/電容拾振、逆壓電激勵/壓電拾振、電熱激勵/壓敏電阻拾振和光熱激勵/光信號拾振。其中，電熱激勵/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器價格低廉，與工業(yè)IC技術(shù)兼容，可將敏感元件與信號調(diào)理電路集成在1塊芯片上，具有誘人的應(yīng)用前景。目前國內(nèi)主要有中科院電子所、北京航空航天大學(xué)和西安交通大學(xué)從事這方面的研究，精度可達(dá)到0.37％。我們在研究中發(fā)現(xiàn)這種傳感器的溫度交叉靈敏度較大，為此設(shè)計了一種具有溫度自補償功能的復(fù)合微梁諧振式壓力傳感器。諧振器由在同一硅片上制作的微橋諧振器和微懸臂梁諧振器組成，微橋諧振器和微懸臂梁諧振器材料相同，厚度相等或相近，制作工藝完全相同，同時制作，因而二者對溫度變化可以同步響應(yīng)。通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)，作為溫敏元件的微懸臂梁諧振器的諧振頻率實時補償溫度變化對微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度。經(jīng)補償?shù)闹C振式壓力傳感器的溫度交叉靈敏度減小了兩個數(shù)量級。光熱激勵/光學(xué)信號檢測的微諧振式壓力傳感器具有抗電磁干擾、防爆等優(yōu)點，是對電熱激勵/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器的有益補充，但是需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，不易實現(xiàn)，成本較高。

    微加速度傳感器

    硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進(jìn)入市場的微機(jī)械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型，其結(jié)構(gòu)包括4個部分：質(zhì)量塊、檢測電容、力平衡執(zhí)行器和信號處理電路，集成制作在3mm×3mm的硅片上，其中機(jī)械部分采用表面微機(jī)械工藝制作，電路部分采用BiCMOSIC技術(shù)制作。隨后Zimmermann等人報道了利用SIMOXSOI芯片制作的類似結(jié)構(gòu)，Chan等人報道了測量范圍在5g和1g的改進(jìn)型力平衡式加速度傳感器。這種傳感器在汽車的防撞氣袋控制等領(lǐng)域有廣泛的用途，成本在15美元以下。

    國內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。

    微機(jī)械陀螺

    角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。