浅谈MEMS传感器不同类型的研究现状

时间:2020-08-14 10:50来源:互联网 作者:郑州炜盛科技 点击:

微型电子机械系统(Microelectro Mechanical Systems)简称MEMS传感器,它是利用传统的半导体工艺和材料,集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有小体积、低成本、集成化等特点。经过多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。根据不同的需求,MEMS传感器又可以分为不同的类型应用到各个领域。那么不同类型的MEMS传感器,其研究现状都是什么呢?

1、MEMS压力传感器

MEMS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。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。现阶段MEMS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。

(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)提高工作温度,研制高低温压力传感器。

(4)开发谐振式压力传感器。

2、MEMS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。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年报道的AGXL50型。

国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和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,其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、MEMS陀螺

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。这种陀螺仪的精度很高,但它的结构复杂,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,角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、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。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。但是,实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h,离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。

4、MEMS流量传感器

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3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10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。

5、MEMS气体传感器

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,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气体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件和温度探测元件,以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起,保证气体传感器优良性能的发挥。

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1种微结构气体传感器,由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。硅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0×10~1×10的范围内有较好的线性,浓度检测极限达到1×10,当工作频率是19kHz时,灵敏度是1.3Hz/10。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体,得到-0.099Hz/10的灵敏度。

6、MEMS温度传感器

微机械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10J/K~10J/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。我所开发了1种硅/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MEMS传感器

利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器,例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器,浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器,中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器等。