現(xiàn)代測試技術課件：微機械傳感器

微機械傳感器【學習目標】

明確微機械傳感器的概念、特點，掌握微機械加速度傳感器、微機械壓力傳感器、微機械陀螺等微傳感器的結構及作用原理。在信號測試中，能夠根據(jù)實際情況，學會選擇與使用微機械傳感器?！緦W習要求】

理解微機械傳感器的概念、特點，熟練掌握微機械加速度傳感器、微機械壓力傳感器、微機械陀螺的設計結構、特性及作用原理，了解微流量傳感器、微氣體傳感器、微溫度傳感器的工作特性，并對微機械加工技術有一些認識。

微機械傳感器是微機電系統(tǒng)的關鍵要素之一，它的敏感機理與常規(guī)傳感器一樣，知識其敏感元件的尺寸微小，一般是μm級。微傳感器的整體尺寸也在mm以下，由微機械加工技術制造而成。常規(guī)傳感器主要采用金屬材料制作，而微傳感器則優(yōu)先采用硅材料制作。如今傳感器已經(jīng)從以金屬材料為主的常規(guī)傳感器時代進入以硅材料為主的微傳感器時代。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)、易于集成和實現(xiàn)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(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。3.1微機械傳感器的概念及特點3.2微機電系統(tǒng)的主要加工技術微機電系統(tǒng)（MicroelectroMechanicalSystems,MEMS）是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的多學科交叉的前沿研究領域,經(jīng)過幾十年的發(fā)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(yī)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(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)字微鏡顯示器在內的幾百種產(chǎn)品，其中微傳感器占相當大的比例。

隨著微機電系統(tǒng)的發(fā)展，微型制造技術作為實現(xiàn)mems技術的關鍵也開始引起世界發(fā)達國家的材料科學工作者和工業(yè)界的極大關注。要想加工出精密的微機電器件，必須要具備相應微細加工技術。目前，常用的有以下方法：

(1)光刻術(photolithography)圖3.2微機械光刻加工儀器實物照片(2)蝕刻技術刻蝕技術又分為以下幾種。①化學異向蝕刻②離子束蝕刻③激光蝕刻圖3.3化學腐蝕加工儀(3)LIGA技術(4)犧牲層技術(5)外延技術(6)特種微細加工技術(7)分子裝配技術(MolecularAssemblage)(8)集成機構(IntegratedMechanism)制造技術

3.3微機械傳感器原理3.3.1微機械加速度傳感器

微機械加速度傳感器（如圖3.4）的種類很多,發(fā)展也很快,目前微機電加速度傳感器的工作原理主要有壓阻式、電容式、壓電式、力平衡式、微機械熱對流式和微機械諧振式等。

1.壓阻式微機械加速度傳感器壓阻式傳感器（如圖3.5）是利用硅材料的壓阻效應制作的傳感器,它的工作原理是將被測的加速度轉換為硅材料電阻率的變化來進行加速度的測量。比較典型的產(chǎn)品是美國EG&GICSENSORRS公司生產(chǎn)的微機械加速度傳感器,其基本結構形式如圖3.6所示,這是一種雙懸臂梁結構的傳感器。

1插座；2傳感器；3連桿（可拆裝）；4限動螺釘；5支座；6被測構件

圖3.5壓阻式加速度傳感器圖3.6雙懸臂梁結構傳感器工作原理示意圖2.電容式加速度傳感器電容式加速度傳感器（如圖3.7）是利用電容原理,將被測加速度轉換成電容的變化來進行加速度測量。電容式加速度傳感器的靈敏度比較高,易于構成高精度的力平衡式器件,目前國外已有高性能的器件出現(xiàn)。

圖3.7電容式加速度傳感器

電容式傳感器的特點:靈敏度和測量精度高;穩(wěn)定性好;溫度漂移小;功耗極低;良好的過載保護能力;便于利用靜電力進行自檢。其缺點是:由于傳感器的電容量和其變化量極小,同時為減小分布電容的影響,其調理電路必須與傳感器集成在一塊芯片上。圖3.8給出了兩種結構形式的微機械電容式加速度傳感器。

圖3.8微機械電容式加速度傳感器3.力平衡式微機械加速度傳感器力平衡式微機械加速度傳感器是在電容式加速度傳感器的基礎上發(fā)展而來的,它的原理如圖3.9所示,將以懸臂梁支撐的慣性質量塊作為動極板,在動極板的上下分別有一個定極板,與動極板構成兩個電容。

圖3.9力平衡式微機械加速度傳感器4.微機械熱對流加速度傳感器熱對流加速度傳感器是一種新型的加速度傳感器,圖3.10是微機械熱對流加速度傳感器作用原理的示意圖。在懸臂梁的端部有一擴散加熱電阻,加熱電阻通電后所產(chǎn)生的熱量全部沿梁和上下兩個散熱板傳遞,而向上下兩個散熱板傳導熱量的速率取決于加熱電阻與散熱板間的距離,沿懸臂梁的溫度分布曲線由懸臂梁與散熱板間的相對位置來確定。因此可以通過分布在懸臂梁上的P型硅/鋁熱電偶對懸臂梁的溫度測量來測定懸臂梁與兩個散熱板的對位置,從而實現(xiàn)對加速度的測量。

圖3.11給出了一個微機械熱加速度傳感器的結構示意圖。圖3.10微機械熱加速度傳感器作用原理圖3.11微機械熱加速度傳感器5.微機械諧振式加速度傳感器諧振式傳感器是利用某種諧振子的固有頻率(也有用相位和振幅的)隨被測量的變化而變化來進行測量的一種傳感器。諧振式傳感器的輸出特性是頻率信號,不必經(jīng)過模數(shù)轉換（A/D）就可以方便地與微型計算機連接,組成高精度的測控系統(tǒng)。同時諧振式傳感器還具有無活動部件,機械結構牢固,精度高,穩(wěn)定性好,靈敏度高等特點,是一種很有前途和應用價值的傳感器。圖3.12是一種傳感器的實物外觀圖結構示意圖。

圖3.13是一個多晶硅靜電式諧振加速度傳感器的結構示意圖。

圖3.12諧振式傳感器圖3.13微機械諧振加速度傳感器6.微機械壓電加速度傳感器圖3.14是一種用ZnO作為敏感材料的微機械壓電加速度傳感器的示意圖。傳感器的質量塊通過一個臂與基片相連,在這個臂上利用濺射技術制作了一個與臂等面積,厚度為2μm的ZnO壓電薄膜,薄膜外生長了一層SiO2將ZnO薄膜密封起來,加速度使梁產(chǎn)生的應變引起ZnO壓電薄膜產(chǎn)生壓電效應,壓電信號通過一個電極耦合到MOS管的柵極,信號被放大后輸出。

圖3.14微機械壓電加速度傳感器7.隧道電流式微加速度傳感器隧道電流式微加速度傳感器的工作原理是基于隧道效應。圖3.15是一種折疊梁式隧道電流式微加速度傳感器的結構圖。其中圖3.15(a)所示是對電極極板,在極板上蒸鍍一層金作為電極,圖3.15(b)所示包括檢測質量、隧尖和折疊梁彈簧,將圖3.15(b)所示的板疊加在圖3.15(a)所示板上,就構成了加速度傳感器,其側向圖圖3.15(c)所示。在兩層鍍金的電容極板上施加驅動電壓，由驅動電壓產(chǎn)生的靜電力與折疊梁的彈性力及檢測質量的慣性力相平衡。在閉環(huán)系統(tǒng)內,通過調節(jié)驅動電壓,使隧道間隙s維持在1nm左右,這樣,隧道電流I也維持在一個常值,而驅動電壓的變化就直接反映了被測量的大小。圖3.15折疊式隧道電流式微加速度傳感器結構圖3.3.2微機械壓力傳感器微機械壓力傳感器（如圖3.16）是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。

圖3.16微機械壓力傳感器現(xiàn)階段微機械壓力傳感器的主要發(fā)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

（2）提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。（3）開發(fā)諧振式壓力傳感器。

3.3.3微機械陀螺陀螺儀是用于測量物體相對慣性空間轉動的角速度或者角度的裝置。陀螺的主要性能指標有標度因子（scalefactor）、閾值（threshold）和分辨率（resolution）最大輸入角速度（Maximuminputangularvelocity）、零偏（bias）、零偏穩(wěn)定性（BiasStability）、角度隨機游走（anglerandomwalk）、帶寬（bandwidth）等。

陀螺發(fā)展到今天，出現(xiàn)了各種各樣結構的陀螺（如圖3.17）。按照它們的工作原理，可以把陀螺分為三大類：機械轉子陀螺儀、光學陀螺儀和振動式陀螺儀。1．機械轉子陀螺儀機械轉子陀螺利用角動量守恒原理檢測角速度，這種陀螺的共同特點是都有一個高速旋轉的轉子。根據(jù)角動量受恒原理，在不受外部力矩的情況下，轉子的角動量矢量在慣性系中保持不變。

圖3.17各種各樣結構的陀螺2．光學陀螺光學陀螺是70年代后發(fā)展起來的新型陀螺，包括激光陀螺和光纖陀螺兩大類。光學陀螺的基本原理與轉子式陀螺是完全不同的，其敏感原理基于薩格奈可（Sagnac）效應，如圖3.20所示。

圖3.18萬向節(jié)機械轉子陀螺儀結構圖圖3.19柔性支承機械轉子陀螺圖3.20Sagnac效應示意圖3．振動陀螺振動式陀螺的基本原