典型的微型傳感器有哪些？結(jié)構(gòu)和工作原理解析

和傳統(tǒng)的傳感器相比，微型傳感器具有許多新特性，它們能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器的不足，具有廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到重視。文中詳細(xì)介紹了一些微型傳感器件的結(jié)構(gòu)和原理，說明了微型傳感器的基本性能特點(diǎn)和微型傳感器的發(fā)展趨勢(shì)。

微型傳感器的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的傳感器件因其制作工藝與半導(dǎo)體IC 工藝不兼容，所以無論在性能、尺寸和成本上都不能與通過IC 技術(shù)制作的高速度、高密度、小體積和低成本的信號(hào)處理器件相適應(yīng)，于是制約了整個(gè)系統(tǒng)的集成化、批量化和性能的充分發(fā)揮。

微型傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡(jiǎn)單的物理縮小的產(chǎn)物，而是以新的工作機(jī)制和物化效應(yīng)，使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料，通過MEMS 加工技術(shù)制備的新一代傳感器件，具有小型化、集成化的特點(diǎn)，可以極大地提高傳感器性能。在信號(hào)傳輸前就可放大信號(hào)，從而減少干擾和傳輸噪音，提高信噪比;在芯片上集成反饋線路和補(bǔ)償線路，可改善輸出的線性度和頻響特性，降低誤差，提高靈敏度。

具有陣列性?？梢栽谝粔K芯片上集成敏感元件、放大電路和補(bǔ)償線路。可以把多個(gè)相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性，便于與微電子器件集成與封裝。

利用成熟的硅微半導(dǎo)體工藝加工制造，可以批量生產(chǎn)，成本非常低廉。

典型的微型傳感器

微機(jī)械加速度傳感器

它是最早利用MEMS 技術(shù)開發(fā)成功，并取得廣泛應(yīng)用的微型傳感器之一。微加速度傳感器的主要工作方式有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式，現(xiàn)在又出現(xiàn)了微機(jī)械熱對(duì)流式加速度傳感器。

圖1 和圖2 分別給出了新型加速度傳感器作用原理和結(jié)構(gòu)示意圖。在懸臂梁的端部有一擴(kuò)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(gè)散熱板傳遞。向上下兩個(gè)散熱板傳導(dǎo)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(duì)位置來確定?？梢酝ㄟ^分布在懸臂梁上的P 型硅/ 鋁熱電偶對(duì)懸臂梁溫度的測(cè)量來測(cè)定懸臂梁與兩個(gè)散熱板的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量。

這種傳感器的熱電偶具有很高的靈敏度，能夠直接輸出電壓信號(hào)，可以省去復(fù)雜的信號(hào)處理電路，并且對(duì)電磁干擾不敏感。在懸臂梁與散熱板的間距為140μm 和200μm、梁長為100μm、梁寬為4μm、梁厚為10μm 時(shí)，傳感器的靈敏度為1 mV/ g ，測(cè)量范圍為25g ，分辨率為0.003 g. 由于結(jié)構(gòu)中沒有大的質(zhì)量塊，微機(jī)械熱對(duì)流式加速度傳感器具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，但其頻率響應(yīng)范圍很窄 。

微機(jī)械角速度傳感器

對(duì)于旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角度的檢測(cè)，需要采用陀螺儀。基于MEMS 技術(shù)的微機(jī)械陀螺因其成本低，能批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備、軍事設(shè)備等方面。微機(jī)械陀螺有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等，其工作原理基于哥氏效應(yīng)。

諧振式微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)如圖3 所示：它由固定在基底上的靜止驅(qū)動(dòng)器、質(zhì)量塊（包括內(nèi)部動(dòng)齒框架及外部框架） 和2個(gè)雙端音叉諧振器（DETF） 組成。質(zhì)量塊通過4 個(gè)支承梁固定在基底上。當(dāng)在靜止驅(qū)動(dòng)器上加上驅(qū)動(dòng)電壓（角頻率為ωp）時(shí)，質(zhì)量塊的內(nèi)部動(dòng)齒框架作沿著y 軸方向的振蕩運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)外部的繞z 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)（輸入信號(hào)Ω） 作用到芯片上，質(zhì)量塊產(chǎn)生沿x 軸方向的哥氏力，且通過內(nèi)支承梁轉(zhuǎn)移到外框架上， 外框架由兩對(duì)支承梁固定并可沿x 軸方向運(yùn)動(dòng)，通過兩對(duì)杠桿這個(gè)力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個(gè)雙端音叉諧振器（DETF） 上。DETF 上輸出信號(hào)頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。

微機(jī)械陀螺的平面外輪廓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2 ，厚度僅為2μm. 而文獻(xiàn)給出的振動(dòng)輪式硅微機(jī)械陀螺的直徑為1 mm ，厚度為19μm ，寬度為5μm ，電極間距為7μm.

微型氣敏傳感器

微型氣敏傳感器可分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。前者是以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。氣敏傳感器的敏感性能與工作溫度有很大關(guān)系，要求傳感器系統(tǒng)本身具備加熱元件和溫度探測(cè)元件。而基于MEMS 技術(shù)的微型氣體傳感器具有高度集成化的特點(diǎn)，易于將氣敏元件和溫度探測(cè)元件集成一體，保證了氣敏傳感器性能。

圖4 是一種體積僅為1 cm2 的二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該氣體傳感器的工作機(jī)理是基于非散射的紅外雙光束、雙波長的測(cè)量原理 。它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)常規(guī)的小型紅外光源、一個(gè)氣室和一個(gè)紅外探測(cè)單元。紅外探測(cè)單元由兩個(gè)單晶硅微型熱輻射儀、一個(gè)寬帶濾波器和一個(gè)微型可變紅外濾光片構(gòu)成，參考信號(hào)源可以補(bǔ)償由于光源污染產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)衰減帶來的影響。在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)2000 &TImes;10 - 6的樣氣中，該傳感器具有20 &TImes;10 - 6的分辨力（1σ） ，時(shí)間常數(shù)為3 s.