微傳感器研究的現(xiàn)狀與性能發(fā)展方向分析
1、引言
微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectro?Mechanical?Systems,MEMS）是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中微傳感器占相當(dāng)大的比例。微傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。本文概述國內(nèi)外目前已實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械傳感器特別是微機(jī)械諧振式傳感器的類型、工作原理、性能和發(fā)展方向。
2、微傳感器研究的現(xiàn)狀與發(fā)展方向
2．1微機(jī)械壓力傳感器
微機(jī)械壓力傳感器是最早開始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測方式來看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。目前，壓阻式壓力傳感器的精度可達(dá)0.05％～0.01％,年穩(wěn)定性達(dá)0.1％/F.S,溫度誤差為0.0002％,耐壓可達(dá)幾百兆帕,過壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上,并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償[1]。現(xiàn)階段微機(jī)械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。
(1)將敏感元件與信號(hào)處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器等進(jìn)行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。
這一方面，Motorala公司的YoshiiY等人在Transducer’97上報(bào)道的單片集成智能壓力傳感器堪稱典范[2]。這種傳感器在1個(gè)SOI晶片上集成了壓阻式壓力傳感器、溫度傳感器、CMOS電路、電壓電流調(diào)制、8位MCU內(nèi)核（68H05）、10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）器、8位數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）器，2K字節(jié)EPROM、128字節(jié)RAM，啟動(dòng)系統(tǒng)ROM和用于數(shù)據(jù)通信的外圍電路接口，其輸出特性可以由MCU的軟件進(jìn)行校準(zhǔn)和補(bǔ)償，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)具有極高的精度和良好的線性。
(2)進(jìn)一步提高壓力傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)低量程的微壓傳感器[3]。
這種結(jié)構(gòu)以Endevco公司在1977年提出的雙島結(jié)構(gòu)為代表,它可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中從而提高了壓阻式壓力傳感器的靈敏度,可實(shí)現(xiàn)10kPa以下的微壓傳感器。1989年復(fù)旦大學(xué)提出1種梁膜結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)應(yīng)力集中，其結(jié)構(gòu)可看作1個(gè)正面的啞鈴形梁疊加在平膜片上，可實(shí)現(xiàn)量程為1kPa的微壓傳感器。另外還有美國Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBossed”結(jié)構(gòu)和德國柏林技術(shù)大學(xué)提出的類似結(jié)構(gòu)。這種微壓傳感器用于脈動(dòng)風(fēng)壓、流量和密封件泄露量標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域。
(3)提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。
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(dòng)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[4]。
（4）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(diǎn)外，還具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力和測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。硅微諧振式傳感器的激勵(lì)/檢測方式有電磁激勵(lì)/電磁拾振、靜電激勵(lì)/電容拾振、逆壓電激勵(lì)/壓電拾振、電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振和光熱激勵(lì)/光信號(hào)拾振[5]。其中，電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器價(jià)格低廉，與工業(yè)IC技術(shù)兼容，可將敏感元件與信號(hào)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[6]、北京航空航天大學(xué)[7－9]和西安交通大學(xué)[10]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(jì)了一種具有溫度自補(bǔ)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(shí)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(shí)時(shí)補(bǔ)償溫度變化對微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度。經(jīng)補(bǔ)償?shù)闹C振式壓力傳感器的溫度交叉靈敏度減小了兩個(gè)數(shù)量級。光熱激勵(lì)/光學(xué)信號(hào)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(diǎn)，是對電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器的有益補(bǔ)充[11,12]，但是需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，不易實(shí)現(xiàn)，成本較高。
2．2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(gè)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[13]。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報(bào)道的AGXL50型[14]，其結(jié)構(gòu)包括4個(gè)部分：質(zhì)量塊、檢測電容、力平衡執(zhí)行器和信號(hào)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(bào)道了利用SIMOXSOI芯片制作的類似結(jié)構(gòu)[15]，Chan等人報(bào)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[16]。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。 [!--empirenews.page--]
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[17]。后者采用電阻熱激勵(lì)、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(gè)諧振梁用于信號(hào)檢測。
2．3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(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來測量角速度的。
這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。實(shí)際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機(jī)的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運(yùn)動(dòng)機(jī)械、計(jì)算機(jī)慣性鼠標(biāo)、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。因此,近年來人們把目光投向微機(jī)械加工技術(shù)，希望研制出低成本、可批量生產(chǎn)的固態(tài)陀螺。目前常見的微機(jī)械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)[18]，懸臂梁結(jié)構(gòu)[19]、音叉結(jié)構(gòu)[20]、振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)[21]等。但是，目前實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需的0.1°/h相差尚遠(yuǎn)。
2．4微流量傳感器
微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達(dá)到很低的測量量級，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測量和控制。目前國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導(dǎo)式和熱飛行時(shí)間式）、機(jī)械式和諧振式3種。清華大學(xué)精密儀器系設(shè)計(jì)的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應(yīng)力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號(hào)[22]。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm,在10ml～200ml/min的氣體流量下,線性度優(yōu)于5％。
荷蘭Twente大學(xué)的Rob.LegtenBerg等人利用薄膜技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)制作了1對具有相對V型槽的諧振器芯片和頂蓋芯片，利用低溫玻璃鍵合技術(shù)將二者鍵合在一起，形成質(zhì)量流量傳感器[23,24]，相對的V型槽形成流體通過流管。由于激勵(lì)電阻和檢測電橋產(chǎn)生的熱量，使諧振器溫度上升到高于環(huán)境溫度的某一溫度，如果有氣流流過流管，對流換熱使諧振器溫度降低。氣體流量不同，諧振器溫度亦不同。由于諧振器和襯底材料不同，不同溫度對應(yīng)不同的內(nèi)應(yīng)力，因而可通過諧振頻率的大小得到流量的大小。諧振器可以是微橋諧振器，也可以是方膜諧振器。研究表明，質(zhì)量流量傳感器的靈敏度與向襯底傳導(dǎo)的熱量和對流換熱之比有關(guān)。對相同材料制作的微橋諧振器和微方膜諧振器來說，后者向襯底傳導(dǎo)的熱量更多，因而其靈敏度較橋諧振器低。對它們制作的氮化硅橋諧振器來說，在壓曲臨界溫度以下，靈敏度為4kHz/Sccm,在壓曲溫度以上為－7kHz/Sccm。
2.5微氣體傳感器
根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，因而要同時(shí)制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮[25]。
諧振式氣敏傳感器不需要對器件進(jìn)行加熱，且輸出信號(hào)為頻率量，是硅微氣敏傳感器發(fā)展的重要方向之一。北京大學(xué)微電子所提出的1種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器[26]，由硅梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。微梁被置于被測氣體中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質(zhì)量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO2氣體濃度的檢測實(shí)驗(yàn)表明，在0×10－4～1×10－4的范圍內(nèi)有較好的線性，濃度檢測極限達(dá)到1×10－6，當(dāng)工作頻率是19kHz時(shí)，靈敏度是1.3Hz/10－6。
德國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到－0.099Hz/10－6的靈敏度[27]。
2．6微機(jī)械溫度傳感器
微機(jī)械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，其固有熱容量僅為10－8J/K～10－15J/K，使其在溫度測量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢。我所開發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器?；诠韬投趸鑳煞N材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9％，遲滯誤差為0.45％，重復(fù)性誤差為1.63％，精度為1.9％。
我所還研究了1種微諧振式溫度傳感器，其工作原理如下：環(huán)境溫度變化時(shí)，懸臂梁諧振器材料的楊氏膜量和密度、梁的長度和厚度發(fā)生變化，因而諧振頻率變化。長、寬、厚分別為300μm、50μm、7μm的微諧振式溫度傳感器，其靈敏度為1.5Hz/℃。
2．7其他微機(jī)械傳感器
利用微機(jī)械加工技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學(xué)的PeterE等人設(shè)計(jì)的諧振式流體密度傳感器[28]，浙江大學(xué)研制的力平衡微機(jī)械真空傳感器[29]，中科院合肥智能所研制的振梁式微機(jī)械力敏傳感器[30]等。
3、結(jié)論
用MEMS技術(shù)加工制作的微結(jié)構(gòu)傳感器具有微型化、可集成化、陣列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生產(chǎn)、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多參數(shù)檢測等一系列優(yōu)點(diǎn)，受到各國研究者的重視。盡管目前開發(fā)的傳感器還有某些不足之處，例如靈敏度低、工作溫區(qū)窄、精度不高。但是，隨著科研工作者的深入研究，在不久的將來必有更多結(jié)構(gòu)更新、性能更優(yōu)異的實(shí)用化的傳感器問世。
下載文檔
