微传感器 - 图文

第七章 微传感器

传感器是将非电学量输入信号转换成输出量为电学量信号的装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。传感器主要有两个功能，其一是拾取信息；其二是把拾取到的信息进行变换，使之成为一种与被测量有确定函数共系的、而且便于传输和处理的量，一般是电量。微传感器从其能量传送方式、测量原理及设计理论上与上述传统传感器并无差异，仅是在几何尺寸上微型化而已。

自然界中的各种能量一般以以下几种形式存在：电学量、热学量、辐射量、机械、磁学量、生物和化学量等。传感器可以根据被测量的不同存在形式进行分类，也可以根据传感器感测信号的基本工作原理来进行分类。本章按照被测量将传感器分为五大类，即：热学量传感器、辐射量传感器、机械量传感器、磁传感器、化学和生物传感器。每一类将设一节进行讲述。由于电学量本身是一种可测的物理量，所以本书不再介绍检测此类信号传感器。

微传感器在微机电系统中是最早实现商品化的产品，也是发展最快的技术之一。由于微传感器实现了几何尺寸微型化，不但保持了它原有的传感特性，而且其温度稳定性提高，不易受外界温度的干扰；元件共振频率很高，工作频带加宽，敏感区间变小，空间解析度提高。另外，由于采用微机械加工技术，批量生产使产品单价降低，这使微机电系统可同时使用更多传感器，使系统可靠性大大提高。

微传感器通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器与微执行器制造开发的新技术。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀、刻蚀、微细加工的进步，使过去很难加工的工艺变得容易了。目前的工艺水平，除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对较小的空间里构造出测量和控制系统。随着科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术、信息处理技术及材料科学的发展，使得集各种先进技术于一体的微传感器进入了一个前所未有的快速发展阶段。

本章从微传感器工作原理、结构及相关的工艺等出发，结合表格及图片详细讲述现在广泛应用中的以及比较前沿的微传感器。

7.1微机械传感器

机械传感器是各种传感器中应用最为广泛，技术最为成熟的传感器之一。它是用来检测物体动力学物理量的，基本原理是敏感元件受到外部机械作用时，其固有物理性质发生改变，如发生形变、电阻变化等，再利用这些变化将机械量转化为电信号便可测得物体机械量的改变。机械传感器被应用在汽车、工业控制、医学、科学仪器等领域当中。随着微机械加工技术的进步，机械传感器的微型化也成为研究热点。相信在未来的发展中，微机械传感器的需求会不断增加，微机械传感器的进一步微型化、集成化要求也将越来越高。

机械传感器可用来测众多的动力学物理量，如压力、加速度等等。下表7.1列出了多条经常需要使用到的动力学物理量。其中不仅包括静态及动态参数，例如，速度、加速度、角速度、位移等，而且涵盖了与物体材料本身性质有关的参数，例如，密度、硬度、浓度等。

表7.1几种常见动力学物理量

速度 加速度 角速度 动能

力 压力 摩擦力 弹力

位移 角度 方向 海拔

密度 硬度 浓度 粘性

动量 势能 质量

张力 频率 波长 声强 直径 形变

杨氏模量

目前最为常用、在诸多环境需要检测的典型的机械量，可以概括为以下六种： ? 加速度 ? 位移 ? 流体流量 ? 力/扭矩 ? 角度 ? 压力

基于上述原因，我们以下主要介绍如下四种微传感器及其原理、结构和相关应用： ? 压力微传感器 ? 加速度微传感器 ? 微机械陀螺仪 ? 流量微传感器

7.1.1压力微传感器

压力微传感器是上世纪五六十年代发展起来的第一类硅基微机械传感器。因此，压力微传感器是当前使用量大，应用广泛的微传感器。因此，了解压力微传感器的工作原理、基本构造及制作流程便显得尤为重要。 7.1.1.1金属应变片与半导体压阻效应

（1）金属应变片

1856年，英国物理学家w.Thomson首先发现了电阻应变效应，而后由B.W.brighemen试验验证。金属导体的电阻随着机械变形（延长或缩短）大小发生变化的现象称为电阻应变效应，它是应变片式传感器工作的基础。

以下以一个金属片为例说明这种效应。

dlf dv f dz

图7.1.1金属片受拉力后形变示意图

设金属片长l，截而积为S，电阻系数为?，则其电阻值为： R??当导线两端受到拉力

l （7.1） Sf的作用时，其长度l伸长dl，截面积减小dS，从而金属丝电阻

值增加dR(见图7.1.1)。对式(7.1)微分得到：

dR??R?R?ll??Sdl?dS????2 （7.2） ?l?SSS

dS??v?dv??z?dz??vz?vdz?zdv

?vz??dzdv?????2??S （7.3） zv?? 式中，?= ?dR??1?2????G? （7.4） Rdsdl/ 是泊松比，dv是金属片宽度改变量，z为金属片厚度（图中未2sl画出），dz为厚度改变量，?= dl/l是沿l方向的应变。

dRdl每单位应变引起的电阻值的相对改变叫做应变灵敏系数G，即G= /, ?的值介

Rl于0.1～0.4，所以，对于绝大多数材料来说，灵敏系数在１～２之间。金属产生的应变通常低于１％（这大约是高质量钢产生的屈服应变），所以金属应变片的阻值变化最大为１％～２％。

（2）半导体压阻效应

对半导体施加应力后，其电阻率发生变化，这种效应叫压阻效应。金属应变片的主要改变是尺寸的变化，材料电阻率?与应变无关。而半导体则不同，在受到应力时半导体材料的能带结构也要相应的发生变化，因而材料的电阻率（或电导率）发生改变，并且电阻率和与电阻率有关的效应，如压阻效应等，还可能是各向异性的。压阻系数?定义为单位应力引起的电阻率的相对变化，分为纵向的和横向的效应，即在平行于应变和垂直于应变方向上的电阻率的改变：

??1?? （7.5） p?上式中，

p为单位横截面所受的力，即应力。硅的压阻系数与晶向和掺杂有关，该系

93.5?10?11Pa-1 ?102?10?11Pa?1

数的最大值为：

p-Si：?ln-Si：?l111= =

100式中，下标l表示纵向（沿应力方向）。考虑到半导体结构压阻效应的各向异性，电阻的相对变化可表示为：

?d???d??dR??1?2v??????l????t??1?2v????lE?l??tE?t （7.6） R????l??t式中，?l和?t分别为纵向和横向压电系数。

在微结构上，单晶硅压敏电阻必须置于柔性结构的上部或顶部，这一点很重要。弯曲引

起柔性结构的应力分布，并且应力在中心改变符号。跨越整个柔性结构的压敏电阻，不会因形变弯曲而引起电阻值改变，所以制作在柔性结构上的压敏电阻不应该跨越整个结构。

7.1.1.2压阻式微传感器

压阻式微传感器是应用金属片或半导体片的压阻效应来实现测量压力的。图7.1.2为压阻式微传感器的结构示意图，当外界压力发生变化时，微型膜随压力发生相应变形，带动固定在微型膜边缘的压敏电阻发生形变，检测压敏电阻的电压变化，便可以检测外界压力的变化。这里的压敏电阻可以是掺杂单晶硅或者多晶硅薄膜。目前的制作工艺中，多数应用多晶硅薄膜制作压敏电阻。

压敏电阻

玻璃罩

多晶硅膜

玻璃衬底

图7.1.2压阻式微传感器结构示意图

为了提高测量灵敏度，压敏电阻应该制作在微型膜形变最大的区域，如图7.1.2中微型膜与单晶硅连接部分。也可以在薄膜两端应力最大区域分别制作一个，利用惠更斯桥作为测量电路。微结构中，微型膜受到的压强与输出电压的关系可表示为：。

Vout??R???P?P0? （7.7） 7.1.1.3压容式微传感器

图7.1.3表明了单晶硅压容式微传感器的一般结构。当外界压力变化时，引起微型膜的移动，并带动制作在膜上的电容极板发生纵向位移，导致电容值变化，用电路检测电容值的变化，即可测得压力变化。

辅助电容

敏感电容

转换电路

图7.1.3压容式微传感器结构示意图

一般情况下，敏感电容器与另外两个参考电容器可以构成一个电容桥，其输出电压与微型膜位移?x和外界压强的关系如下：

Vout??C??x??P?P0? （7.8）