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行業(yè)動(dòng)態(tài)

行業(yè)動(dòng)態(tài)

MEMS傳感器的現(xiàn)狀

  • 鄭州開物通電子科技有限公司
  • 發(fā)布時(shí)間:2020-12-27 12:30:34
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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(jí)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(guó)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(cè)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]?,F(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(guó)Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBossed”結(jié)構(gòu)和德國(guó)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(cè)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(duì)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(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。硅微諧振式傳感器的激勵(lì)/檢測(cè)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(guó)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?cè)谘芯恐邪l(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(duì)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(duì)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(jí)。光熱激勵(lì)/光學(xué)信號(hào)檢測(cè)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)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。
    國(guó)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(cè)的方式,其敏感結(jié)構(gòu)為高度對(duì)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(cè)。

2.3微機(jī)械陀螺
    角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量量級(jí),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(cè)量和控制。目前國(guó)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(cè)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(duì)具有相對(duì)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(duì)的V型槽形成流體通過流管。由于激勵(lì)電阻和檢測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)流換熱之比有關(guān)。對(duì)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(duì)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(duì)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(cè)元件,以監(jiān)測(cè)和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測(cè)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(duì)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(cè)振元件和氣體敏感膜組成。微梁被置于被測(cè)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(cè)量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對(duì)NO2氣體濃度的檢測(cè)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(cè)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(guó)的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測(cè)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?jī)H為10-8J/K~10-15J/K,使其在溫度測(cè)量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(cè)。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(zhǎng)度和厚度發(fā)生變化,因而諧振頻率變化。長(zhǎng)、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(cè)等一系列優(yōu)點(diǎn),受到各國(guó)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。
產(chǎn)品與服務(wù)
液位計(jì)液位監(jiān)控儀氣體探測(cè)器報(bào)警控制器壓力傳感器撬裝監(jiān)控系統(tǒng)溫度變送器滲漏傳感器切斷閥與控制器應(yīng)用/管理軟件
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