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微机械传感器的现状与发展

话题调查中国仪表网2006年10月30日 09:54人气:771

1引言
  微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems,MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。目前,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。

2微传感器研究的现状与发展方向
2.1微机械压力传感器
  微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品,也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看,微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类,分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看,有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前,压阻式压力传感器的精度可达0.05%~0.01%,年稳定性达0.1%/F.S,温度误差为0.0002%,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿[1]。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。
(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成,研制智能化的压力传感器。
  这一方面,Motorala公司的YoshiiY等人在Transducer’97上报道的单片集成智能压力传感器堪称典范[2]。这种传感器在1个SOI晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、CMOS电路、电压电流调制、8位MCU内核(68H05)、10位模/数转换(A/D)器、8位数模转换(D/A)器,2K字节EPROM、128字节RAM,启动系统ROM和用于数据通信的外围电路接口,其输出特性可以由MCU的软件进行校准和补偿,在相当宽的温度范围内具有极高的精度和良好的线性。
(2)进一步提高压力传感器的灵敏度,实现低量程的微压传感器[3]。
  这种结构以Endevco公司在1977年提出的双岛结构为代表,它可以实现应力集中从而提高了压阻式压力传感器的灵敏度,可实现10kPa以下的微压传感器。1989年复旦大学提出1种梁膜结构来实现应力集中,其结构可看作1个正面的哑铃形梁叠加在平膜片上,可实现量程为1kPa的微压传感器。另外还有美国Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBossed”结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。这种微压传感器用于脉动风压、流量和密封件泄露量标识等领域。
(3)提高工作温度,研制高低温压力传感器。
  压阻式压力传感器由于受pn结耐温限制,只能用于120℃以下的工作温度,然而在许多领域迫切需要能够在高低温下正常工作的压力传感器,例如测量锅炉、管道、高温容器内的压力,井下压力和各种发动机腔体内的压力。目前对高温压力传感器的研究主要包括SOS、SOI、SiC、PolySi合金薄膜溅射压力传感器、高温光纤压力传感器、高温电容式压力传感器等。其中6HSiC高温压力传感器可望在600℃下应用[4]。
(4)开发谐振式压力传感器。
  微机械谐振式压力传感器除了具有普通微传感器的优点外,还具有准数字信号输出,抗干扰能力强,分辨力和测量精度高的优点。硅微谐振式传感器的激励/检测方式有电磁激励/电磁拾振、静电激励/电容拾振、逆压电激励/压电拾振、电热激励/压敏电阻拾振和光热激励/光信号拾振[5]。其中,电热激励/压敏电阻拾振的微谐振式压力传感器价格低廉,与工业IC技术兼容,可将敏感元件与信号调理电路集成在1块芯片上,具有诱人的应用前景。目前国内主要有中科院电子所[6]、北京航空航天大学[7-9]和西安交通大学[10]从事这方面的研究,精度可达到0.37%。我们在研究中发现这种传感器的温度交叉灵敏度较大,为此设计了一种具有温度自补偿功能的复合微梁谐振式压力传感器。谐振器由在同一硅片上制作的微桥谐振器和微悬臂梁谐振器组成,微桥谐振器和微悬臂梁谐振器材料相同,厚度相等或相近,制作工艺完全相同,同时制作,因而二者对温度变化可以同步响应。通过数据融合技术,作为温敏元件的微悬臂梁谐振器的谐振频率实时补偿温度变化对微桥谐振器谐振频率的交叉灵敏度。经补偿的谐振式压力传感器的温度交叉灵敏度减小了两个数量级。光热激励/光学信号检测的微谐振式压力传感器具有抗电磁干扰、防爆等优点,是对电热激励/压敏电阻拾振的微谐振式压力传感器的有益补充[11,12],但是需要复杂的光学系统,不易实现,成本较高。
2.2微加速度传感器
  硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式[13]。其中最具有吸引力的是力平衡加速度计,其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道的AGXL50型[14],其结构包括4个部分:质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路,集成制作在3mm×3mm的硅片上,其中机械部分采用表面微机械工艺制作,电路部分采用BiCMOSIC技术制作。随后Zimmermann等人报道了利用SIMOXSOI芯片制作的类似结构[15],Chan等人报道了测量范围在5g和1g的改进型力平衡式加速度传感器[16]。这种传感器在汽车的防撞气袋控制等领域有广泛的用途,成本在15美元以下。
  国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器[17]。后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式,其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式,在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。
2.3微机械陀螺
  角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高,但它的结构复杂,使用寿命短,成本高,一般仅用于导航方面,而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上,如果不是受成本限制,角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。因此,近年来人们把目光投向微机械加工技术,希望研制出低成本、可批量生产的固态陀螺。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构[18],悬臂梁结构[19]、音叉结构[20]、振动环结构[21]等。但是,目前实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h,离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。
2.4微流量传感器
  微流量传感器不仅外形尺寸小,能达到很低的测量量级,而且死区容量小,响应时间短,适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力,再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号[22]。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。
  荷兰Twente大学的Rob.LegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了1对具有相对V型槽的谐振器芯片和顶盖芯 片,利用低温玻璃键合技术将二者键合在一起,形成质量流量传感器[23,24],相对的V型槽形成流体通过流管。由于激励电阻和检测电桥产生的热量,使谐振器温度上升到高于环境温度的某一温度,如果有气流流过流管,对流换热使谐振器温度降低。气体流量不同,谐振器温度亦不同。由于谐振器和衬底材料不同,不同温度对应不同的内应力,因而可通过谐振频率的大小得到流量的大小。谐振器可以是微桥谐振器,也可以是方膜谐振器。研究表明,质量流量传感器的灵敏度与向衬底传导的热量和对流换热之比有关。对相同材料制作的微桥谐振器和微方膜谐振器来说,后者向衬底传导的热量更多,因而其灵敏度较桥谐振器低。对它们制作的氮化硅桥谐振器来说,在压曲临界温度以下,灵敏度为4kHz/Sccm,在压曲温度以上为-7kHz/Sccm。
2.5微气体传感器
  根据制作材料的不同,微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关,因而要同时制作加热元件和温度探测元件,以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起,保证气体传感器优良性能的发挥[25]。
  谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热,且输出信号为频率量,是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子 所提出的1种微结构气体传感器[26],由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。微梁被置于被测气体中后,表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加,使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明,在0×10-4~1×10-4的范围内有较好的线性,浓度检测极限达到1×10-6,当工作频率是19kHz时,灵敏度是1.3Hz/10-6。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体,得到-0.099Hz/10-6的灵敏度[27]。
2.6微机械温度传感器
  微机械传感器与传统的传感器相比,具有体积小、重量轻的特点,其固有热容量仅为10-8J/K~10-15J/K,使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。我所开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异,不同温度下梁的挠度不同,其形变可通过位于梁根部的压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9%,迟滞误差为0.45%,重复性误差为1.63%,精度为1.9%。
  我所还研究了1种微谐振式温度传感器,其工作原理如下:环境温度变化时,悬臂梁谐振器材料的杨氏膜量和密度、梁的长度和厚度发生变化,因而谐振频率变化。长、宽、厚分别为300μm、50μm、7μm的微谐振式温度传感器,其灵敏度为1.5Hz/℃。
2.7其他微机械传感器
  利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器,例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器[28],浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器[29],中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器[30]等。
3结论
  用MEMS技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可集成化、阵列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点,受到各国研究者的重视。尽管目前开发的传感器还有某些不足之处,例如灵敏度低、工作温区窄、精度不高。但是,随着科研工作者的深入研究,在不久的将来必有更多结构更新、性能更优异的实用化的传感器问世。
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