微机械压力传感器是最早开始研制的MEMS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,过电压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围的全温补偿。
2.微加速度传感器
微加速度传感器是继微机械压力传感器之后,第二个进入市场的MEMS传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。
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年提出的AGXL50型产品。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等人提出了利用SIMOXSOI芯片制作的类似结构,Chan等人公布了测量范围在5g和1g的改进型力平衡式加速度传感器。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进行了大量的工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器,清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。后者采用电阻热激励。压阻电桥检测的方式是,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。
3.微机械陀螺仪
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,如图3-4所示。
图3-4 微机械陀螺仪(gyroscope)的结构
这种陀螺仪的精度很高,但结构复杂、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,角速度传感器可在如汽车牵引控制系统、摄像机的稳定系统、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悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。
图3-5 流量传感器
4.微流量传感器(www.xing528.com)
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的工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式三种。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。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm在10~200mL/min的气体流量下线性度优于5%,如图3-5所示。
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形槽的谐振器芯片和顶盖芯片。利用低温玻璃键合技术,将两者键合在一起形成质量流量传感器,相对的V形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也不同。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。
5.微气敏传感器
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而敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气敏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器件和温度探测元器件以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元器件和温度探测元器件制作在一起,保证气敏传感器优良性能的发挥,如图3-6所示。
图3-6 微气敏传感器
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一种微结构气敏传感器由硅梁、激振器件、测振器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0×104~1×104的范围内有较好的线性浓度检测极限达到1×106,当工作频率是19kHz时灵敏度是1.3Hz/106。
6.微机械温度传感器
微机械温度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10-15~10-8 J/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。沈阳市传感技术研究所开发了1种硅或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%。
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,如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器等。
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