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微机械传感器的现状与发展 |
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| 微机械传感器的现状与发展 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2009-6-2 17:06:38  |
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1 引言
微机电系统（MicroelectroMechanicalSystems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。
2 微传感器研究的现状与发展方向
2．1微机械压力传感器
微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，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，分别以体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,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿[1]。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。
(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。
这一方面，Motorala公司的YoshiiY等人在Transducer'97上报道的单片集成智能压力传感器堪称典范[2]。这种传感器在1个SOI晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、CMOS电路、电压电流调制、8位MCU内核（68H05）、10位模/数转换（A/D）器、8位数模转换（D/A）器，2K字节EPROM、128字节RAM，启动系统ROM和用于数据通信的外围电路接口，其输出特性可以由MCU的软件进行校准和补偿，在相当宽的温度范围内具有极高的精度和良好的线性。
(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器[3]。
这种结构以Endevco公司在1977年提出的双岛结构为代表,它可以实现应力集中从而提高了压阻式压力传感器的灵敏度,可实现10kPa以下的微压传感器。1989年复旦大学提出1种梁膜结构来实现应力集中，其结构可看作1个正面的哑铃形梁叠加在平膜片上，可实现量程为1kPa的微压传感器。另外还有美国Honywell公司在1992年提出的“RibbedandBossed”结构和德国柏林技术大学提出的类似结构。这种微压传感器用于脉动风压、流量和密封件泄露量标识等领域。
(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。
压阻式压力传感器由于受pn结耐温限制，只能用于120℃以下的工作温度，然而在许多领域迫切需要能够在高低温下正常工作的压力传感器,例如测量锅炉、管道、高温容器内的压力，井下压力和各种发动机腔体内的压力。目前对高温压力传感器的研究主要包括SOS、SOI、SiC、PolySi合金薄膜溅射压力传感器、高温光纤压力传感器、高温电容式压力传感器等。其中6HSiC高温压力传感器可望在600℃下应用[4]。
（4）开发谐振式压力传感器。
微机械谐振式压力传感器除了具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出，抗干扰能力强，分辨力和测量精度高的优点。硅微谐振式传感器的激励/检测方式有电磁激励/电磁拾振、静电激励/电容拾振、逆压电激励/压电拾振、电热激励/压敏电阻拾振和光热激励/光信号拾振[5]。其中，电热激励/压敏电阻拾振的微谐振式压力传感器价格低廉，与工业IC技术兼容，可将敏感元件与信号调理电路集成在1块芯片上，具有诱人的应用前景。目前国内主要有中科院电子所[6]、北京航空航天大学[7－9]和西安交通大学[10]从事这方面的研究，精度可达到0.37％。我们在研究中发现这种传感器的温度交叉灵敏度较大，为此设计了一种具有温度自补偿功能的复合微梁谐振式压力传感器。谐振器由在同一硅片上制作的微桥谐振器和微悬臂梁谐振器组成，微桥谐振器和微悬臂梁谐振器材料相同，厚度相等或相近，制作工艺完全相同，同时制作，因而二者对温度变化可以同步响应。通过数据融合技术，作为温敏元件的微悬臂梁谐振器的谐振频率实时补偿温度变化对微桥谐振器谐振频率的交叉灵敏度。经补偿的谐振式压力传感器的温度交叉灵敏度减小了两个数量级。光热激励/光学信号检测的微谐振式压力传感器具有抗电磁干扰、防爆等优点，是对电热激励/压敏电阻拾振的微谐振式压力传感器的有益补充[11,12]，但是需要复杂的光学系统，不易实现，成本较高。
2．2微加速度传感器
硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。
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