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        MEMS傳感器的現狀

        2014-10-27 來源:西安交通大學 朱長純,韓

        導讀:本文分別從微機械壓力傳感器、微加速度傳感器、微機械陀螺、微流量傳感器、微氣體傳感器、微機械溫度傳感器等方向對學術、科研和企業界進行的微傳感器研究的現狀做了較詳細介

        1引言
             微機電系統(MicroelectroMechanicalSystems,MEMS)是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過幾十年的發展,已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術,具有廣闊的應用前景。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、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品,其中微傳感器占相當大的比例。微傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比,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、易于集成和實現智能化的特點。同時,在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。本文概述國內外目前已實現的微機械傳感器特別是微機械諧振式傳感器的類型、工作原理、性能和發展方向。

        2微傳感器研究的現狀與發展方向

        2.1微機械壓力傳感器

             微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產品,也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。從信號檢測方式來看,微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類,分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造。從敏感膜結構來看,有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。目前,壓阻式壓力傳感器的精度可達 0.05%~0.01%,年穩定性達0.1%/F.S,溫度誤差為0.0002%,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上,并能進行大范圍下的全溫補償[1]?,F階段微機械壓力傳感器的主要發展方向有以下幾個方面。
            (1)將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成,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 SOI晶片上集成了壓阻式壓力傳感器、溫度傳感器、CMOS電路、電壓電流調制、8位MCU內核(68H05)、10位模/數轉換(A/D)器、8位數模轉換(D/A)器,2K字節EPROM、128字節RAM,啟動系統ROM和用于數據通信的外圍電路接口,其輸出特性可以由MCU的軟件進行校準和補償,在相當寬的溫度范圍內具有極高的精度和良好的線性。
            (2)進一步提高壓力傳感器的靈敏度,實現低量程的微壓傳感器[3]。
             這種結構以Endevco公司在1977年提出的雙島結構為代表,它可以實現應力集中從而提高了壓阻式壓力傳感器的靈敏度,可實現10kPa以下的微壓傳感器。1989年復旦大學提出1種梁膜結構來實現應力集中,其結構可看作1個正面的啞鈴形梁疊加在平膜片上,可實現量程為1kPa的微壓傳感器。另外還有美國Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBossed”結構和德國柏林技術大學提出的類似結構。這種微壓傳感器用于脈動風壓、流量和密封件泄露量標識等領域。
            (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結耐溫限制,只能用于120℃以下的工作溫度,然而在許多領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、高溫容器內的壓力,井下壓力和各種發動機腔體內的壓力。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℃下應用[4]。
            (4)開發諧振式壓力傳感器。
            微機械諧振式壓力傳感器除了具有普通微傳感器的優點外,還具有準數字信號輸出,抗干擾能力強,分辨力和測量精度高的優點。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[5]。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IC技術兼容,可將敏感元件與信號調理電路集成在1塊芯片上,具有誘人的應用前景。目前國內主要有中科院電子所[6]、北京航空航天大學[7-9]和西安交通大學[10]從事這方面的研究,精度可達到0.37%。我們在研究中發現這種傳感器的溫度交叉靈敏度較大,為此設計了一種具有溫度自補償功能的復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。通過數據融合技術,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。經補償的諧振式壓力傳感器的溫度交叉靈敏度減小了兩個數量級。光熱激勵/光學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[11,12],但是需要復雜的光學系統,不易實現,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進入市場的微機械傳感器。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,其典型產品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型[14],其結構包括4個部分:質量塊、檢測電容、力平衡執行器和信號處理電路,集成制作在3mm×3mm的硅片上,其中機械部分采用表面微機械工藝制作,電路部分采用BiCMOSIC技術制作。隨后Zimmermann等人報道了利用SIMOXSOI芯片制作的類似結構[15],Chan等人報道了測量范圍在5g和1g的改進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域有廣泛的用途,成本在15美元以下。
            國內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研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學微電子所開發的諧振式微加速度傳感器[17]。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式,其敏感結構為高度對稱的4角支撐質量塊形式,在質量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。

        2.3微機械陀螺

            角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統的陀螺儀是利用高速轉動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高,但它的結構復雜,使用壽命短,成本高,一般僅用于導航方面,而難以在一般的運動控制系統中應用。實際上,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、攝象機的穩定系統、醫用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性鼠標、軍事等領域有廣泛的應用前景。因此,近年來人們把目光投向微機械加工技術,希望研制出低成本、可批量生產的固態陀螺。目前常見的微機械角速度傳感器有雙平衡環結構[18],懸臂梁結構[19]、音叉結構[20]、振動環結構[21]等。但是,目前實現的微機械陀螺的精度還不到10° /h,離慣性導航系統所需的0.1°/h相差尚遠。

        2.4微流量傳感器

            微流量傳感器不僅外形尺寸小,能達到很低的測量量級,而且死區容量小,響應時間短,適合于微流體的精密測量和控制。目前國內外研究的微流量傳感器依據工作原理可分為熱式(包括熱傳導式和熱飛行時間式)、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉換為梁表面彎曲應力,再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號[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,線性度優于5%。
            荷蘭Twente大學的 Rob.LegtenBerg等人利用薄膜技術和微機械加工技術制作了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將二者鍵合在一起,形成質量流量傳感器[23,24],相對的V型槽形成流體通過流管。由于激勵電阻和檢測電橋產生的熱量,使諧振器溫度上升到高于環境溫度的某一溫度,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,不同溫度對應不同的內應力,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,質量流量傳感器的靈敏度與向襯底傳導的熱量和對流換熱之比有關。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,因而要同時制作加熱元件和溫度探測元件,以監測和控制溫度。MEMS技術很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起,保證氣體傳感器優良性能的發揮[25]。
            諧振式氣敏傳感器不需要對器件進行加熱,且輸出信號為頻率量,是硅微氣敏傳感器發展的重要方向之一。北京大學微電子所提出的1種微結構氣體傳感器[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氣體濃度的檢測實驗表明,在0×10-4~1×10-4的范圍內有較好的線性,濃度檢測極限達到1×10-6,當工作頻率是19kHz時,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微機械溫度傳感器

             微機械傳感器與傳統的傳感器相比,具有體積小、重量輕的特點,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溫度傳感器不可比擬的優勢。我所開發了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:環境溫度變化時,懸臂梁諧振器材料的楊氏膜量和密度、梁的長度和厚度發生變化,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其他微機械傳感器

            利用微機械加工技術還可以實現其他多種傳感器,例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度傳感器[28],浙江大學研制的力平衡微機械真空傳感器[29],中科院合肥智能所研制的振梁式微機械力敏傳感器[30]等。
        3結論
             用MEMS技術加工制作的微結構傳感器具有微型化、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、可實現多點多參數檢測等一系列優點,受到各國研究者的重視。盡管目前開發的傳感器還有某些不足之處,例如靈敏度低、工作溫區窄、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構更新、性能更優異的實用化的傳感器問世。

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