新型传感器原理及应用

1.7
பைடு நூலகம்型传感器
近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS 技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应 用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天 和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、 喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件(DMD)已实现规 模化生产，并创造了巨大的经济效益。 美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽 车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公 司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投 影仪市场的大部分份额。
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新型传感器
微 传 感 器
图 微型压力传感器常见空腔形式
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微 传 感 器
1. 压阻式微型压力传感器 作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压 力传感器出现于20世纪60年代，它也是第一类能进 行批量生产的MEMS传感器。目前，硅压阻式压力传 感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油 管的压力测量，以控制注油量并淘汰了传统的汽化 器，用作一次性的生理压力传感器，以避免交叉感 染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等。
1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅 60μ m -120μ m的静电电机。 1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界 引起轰动。
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1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商 品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统 技术商品化的开端。
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一．MEMS微机电系统与微型传感器
•微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简 称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的 机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、 光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、 控制和处理的微型机电装置。 •是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多 种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行 器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。
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新型传感器
多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、 机械、材料、信息与自动控制、物理、化 学、和生物等多种学科。同时MEMS也 为上述学科的进一步研究和发展提供了有 力的工具。
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2. MEMS技术发展概况
1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主Richard Feynman这样来描述MEMS技术：“如果有一天可以按人们 的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？” 三年以后，硅微力传感器问世。
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压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效 应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片 里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻 通常接成电桥电路以便获得最大输出信号 及进行温度补偿等。 优点:
制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。
主要问题:
对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确 测量。
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微 传 感 器
我国20世纪80年代末开始MEMS的研究，到90年代末 已有40多个单位的50多个研究小组在新原理器件、 通用微器件、新工艺和测试技术，以及初步应用等 方面取得显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯 性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件和 系统、生物传感器、微机器人和硅及非硅加工工艺 几个研究方向。但同发达国家相比，我们还有差距。 这在MEMS的产业化方面表现得尤为突出。因此，跟 踪国外的先进技术，选好突破口成为我国MEMS技术 发展的当务之急。
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微 传 感 器
1. MEMS的特点
微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯 性小、谐振频率高、响应时间短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个 传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微 执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形 成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC 集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智 能化MEMS。
此后，众多发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进 MEMS技术发展。MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻 蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。一 次性血压计是最早的MEMS产品，目前国际上每年都有几 千万只的用量。
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微 传 感 器
目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。现代汽 车采用的安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和 防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发 生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外， 又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车 情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车 辆行车方向。
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微 传 感 器 二．微型压力传感器
对压力传感器而言，常借助弹性元件将被测力转换 成机械变形，再输入给传感器元件得到输出电信号。 硅微型压力传感器中的弹性元件都是膜片，硅膜具 有小尺寸、高弹性模量和低密度的特点，从而具有 高的固有频率。 弹性膜片一般都覆盖在一个空腔结构上，腔体中的 参考压力作用在膜片内表面上，被测压力施加在膜 片外表面上。在压差作用下，膜片发生变形。 根据工作原理，硅微型压力传感器可分为压阻式、 电容式、谐振式等。
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•通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和 器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅 能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的 信息自主地或根据外部指令采取行动。
•它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微 电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。 利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以 形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的 MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴， 还工作在机械能范畴或其他能量范畴如磁、热等。