微机械传感器

1、第十章第十章 微机械传感器简介微机械传感器简介一、微机械传感器的历史一、微机械传感器的历史 传感器技术一个重要的里程碑是传感器技术一个重要的里程碑是20世纪世纪60年代年代出现的硅传感器技术，当时最有代表性的就是硅压阻出现的硅传感器技术，当时最有代表性的就是硅压阻式传感器、式传感器、PN结温度传感器和基于霍尔效应的硅传结温度传感器和基于霍尔效应的硅传感器。硅传感器很好地结合了硅材料优良的机械性能感器。硅传感器很好地结合了硅材料优良的机械性能和电学性能，制造工艺又与微电子集成制造工艺相容，和电学性能，制造工艺又与微电子集成制造工艺相容，使传感器技术开始向小型化、微型化、集成化、多功使传感器技术开

2、始向小型化、微型化、集成化、多功能化和智能化方向迅速发展起来。能化和智能化方向迅速发展起来。 微机电系统（微机电系统（MEMSMEMS）是在微电子技术基础上发展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。目前，全展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。目前，全世界有大约世界有大约600600余家单位从事余家单位从事MEMSMEMS的研制和生产工作，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

3、百种产品，其中墨打印头、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。微传感器占相当大的比例。 简单而言，微机械传感器是采用简单而言，微机械传感器是采用微电子工艺技术微电子工艺技术和和微机械加工技术微机械加工技术制造出来的微型传感器。与传统的制造出来的微型传感器。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，在能化的特点。同时，在微米量级微米量级的特征尺寸使得它可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

4、能。以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。二、微机械传感器中应用的材料与工艺二、微机械传感器中应用的材料与工艺 微机械传感器中应用的材料微机械传感器中应用的材料 微机械传感器的敏感结构所应用的材料首选微机械传感器的敏感结构所应用的材料首选硅硅，包括包括单晶硅、多晶硅、非晶硅单晶硅、多晶硅、非晶硅和和硅蓝宝石硅蓝宝石等。等。 单晶硅为正立方晶格，具有优良的力学性质，机单晶硅为正立方晶格，具有优良的力学性质，机械品质好，弹性滞后和蠕变低，长期稳定性好。它还械品质好，弹性滞后和蠕变低，长期稳定性好。它还具有良好的导热性，在自然界储量丰富，成本低，非具有良好的导热性，在自然界储量丰富，成本低，非常

5、适合于制成片状结构。常适合于制成片状结构。 非晶硅又称无定形硅非晶硅又称无定形硅,呈棕黑色或灰黑色的微呈棕黑色或灰黑色的微晶体晶体,熔点、密度和硬度低于晶体硅，化学性质比熔点、密度和硬度低于晶体硅，化学性质比晶体硅活泼。可由活泼金属如钠、钾等在加热下晶体硅活泼。可由活泼金属如钠、钾等在加热下还原四卤化硅，或用还原四卤化硅，或用C还原二氧化硅制得，短程有还原二氧化硅制得，短程有序而长程无序。序而长程无序。 非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效应非晶硅的用途很多，可以制成非晶硅场效应晶体管；用于液晶显示器件、集成式晶体管；用于液晶显示器件、集成式-Si倒相器、倒相器、集成式图象传感器等；利用非晶硅

6、膜可以制成各集成式图象传感器等；利用非晶硅膜可以制成各种光敏、热敏、力敏等传感器。种光敏、热敏、力敏等传感器。 硅蓝宝石材料是一种在蓝宝石（硅蓝宝石材料是一种在蓝宝石（-Al2O3）衬底衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘上应用外延生长技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘体，可以实现元件之间的分离，且寄生电容小。特别体，可以实现元件之间的分离，且寄生电容小。特别需要说明的是，硅蓝宝石制成的传感器可以用于高达需要说明的是，硅蓝宝石制成的传感器可以用于高达300的温度条件下。的温度条件下。 除了硅材料外，在微机械传感器中应用较多的材除了硅材料外，在微机械传感器中应用较多的材料还有：化合物

7、半导体、石英晶体、精密陶瓷、薄膜料还有：化合物半导体、石英晶体、精密陶瓷、薄膜材料、形状记忆合金、复合材料等。材料、形状记忆合金、复合材料等。 微机械传感器中应用的加工工艺微机械传感器中应用的加工工艺 微机械传感器的一个突出特征是敏感结构的尺寸微机械传感器的一个突出特征是敏感结构的尺寸非常微小，其典型尺寸在非常微小，其典型尺寸在m量级。因此，在制造过量级。因此，在制造过程中必须采用特殊的加工工艺程中必须采用特殊的加工工艺微机械加工工艺，微机械加工工艺，其核心是利用材料制成层与层之间差别较大的微小的其核心是利用材料制成层与层之间差别较大的微小的三维敏感结构。三维敏感结构。 通常认为微机械加工工艺

8、主要包括：通常认为微机械加工工艺主要包括：半导体硅微半导体硅微机械加工技术机械加工技术、LIGA技术（技术（X射线深层光刻电铸成射线深层光刻电铸成型技术）型技术）和和特种精密机械加工技术特种精密机械加工技术，这三种加工技术这三种加工技术互为补充，为微传感器的主体结构加工和表面加工提互为补充，为微传感器的主体结构加工和表面加工提供了必要的制造工艺。供了必要的制造工艺。 传统机械加工方法以日本为代表，日本研究传统机械加工方法以日本为代表，日本研究MEMS的重点是超精密机械加工，它更多的是传统机的重点是超精密机械加工，它更多的是传统机械加工的微型化。这种加工方法是利用大机器制造小械加工的微型化。这种

9、加工方法是利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器，可以用于加工一些机器，再利用小机器制造微机器，可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机械手、微型在特殊场合应用的微机械装置，如微型机械手、微型工作台等。工作台等。 半导体硅微机械加工技术半导体硅微机械加工技术： 以美国为代表的半导体硅微机械技工方法与传统以美国为代表的半导体硅微机械技工方法与传统的的IC工艺兼容，利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对工艺兼容，利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅基材料进行加工，形成硅基硅基材料进行加工，形成硅基MEMS器件。当前硅基器件。当前硅基微机械加工技术可分为微机械加工技术可分为体微加工技术体微

10、加工技术和和表面微加工技表面微加工技术术两大类。两大类。 体微加工体微加工是对硅的衬底进行加工的技术。一般采是对硅的衬底进行加工的技术。一般采用各向异性化学腐蚀，利用某些腐蚀液在硅的各个晶用各向异性化学腐蚀，利用某些腐蚀液在硅的各个晶向上以不同的腐蚀速率来制作不同的微机械结构或微向上以不同的腐蚀速率来制作不同的微机械结构或微机械零件。另一种常用技术为电化学腐蚀，现已发展机械零件。另一种常用技术为电化学腐蚀，现已发展为电化学自停止腐蚀，它主要用于硅的腐蚀以制备薄为电化学自停止腐蚀，它主要用于硅的腐蚀以制备薄面均匀的硅膜。体微加工技术主要通过对硅的深腐蚀面均匀的硅膜。体微加工技术主要通过对硅的深腐

11、蚀和硅片的整体键合来实现，能够将几何尺寸控制在微和硅片的整体键合来实现，能够将几何尺寸控制在微米级。由于各向异性腐蚀可以对大硅片进行，使得米级。由于各向异性腐蚀可以对大硅片进行，使得MEMS器件可以高精度地批量生产，同时又消除了研器件可以高精度地批量生产，同时又消除了研磨加工所带来的残余机械应力，提高了器件的稳定性磨加工所带来的残余机械应力，提高了器件的稳定性和成品率。和成品率。 表面微加工表面微加工是在硅片正面上形成薄膜并按一定是在硅片正面上形成薄膜并按一定要求对薄膜进行加工形成微结构的技术，全部加工要求对薄膜进行加工形成微结构的技术，全部加工仅涉及到硅片正面的薄膜。用这种技术可以淀积二仅涉

12、及到硅片正面的薄膜。用这种技术可以淀积二氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜；用蒸发镀膜和溅氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜；用蒸发镀膜和溅射镀膜可以制备铝、钨、钛、镍等金属膜。薄膜的射镀膜可以制备铝、钨、钛、镍等金属膜。薄膜的加工一般采用光刻技术，如紫外线光刻、加工一般采用光刻技术，如紫外线光刻、X射线光刻、射线光刻、电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计好的微电子束光刻和离子束光刻。通过光刻将设计好的微机械结构图转移到硅片上，再用等离子体腐蚀等工机械结构图转移到硅片上，再用等离子体腐蚀等工艺来腐蚀以形成微机械结构。这一技术避免了体微艺来腐蚀以形成微机械结构。这一技术避免了体微加工所要求的双面对准、背面

13、腐蚀等问题，与集成加工所要求的双面对准、背面腐蚀等问题，与集成电路工艺兼容。电路工艺兼容。 硅微机械加工技术包含的主要工艺有：硅微机械加工技术包含的主要工艺有：腐蚀、腐蚀、键合、光科、氧化、扩散、溅射键合、光科、氧化、扩散、溅射等。等。 微机械加工微机械加工LIGA技术技术 以德国为代表的以德国为代表的LIGA技术是指采用技术是指采用同步同步X射线射线深层光刻深层光刻、微电铸制模微电铸制模和和注塑复制注塑复制等主要工艺步骤等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。先用强大的同组成的一种综合性微机械加工技术。先用强大的同步加速度产生的步加速度产生的X射线，通过掩膜照射，将图形深深射线，通过掩

14、膜照射，将图形深深地刻在光敏聚合物上，经过处理后在光敏聚合物上地刻在光敏聚合物上，经过处理后在光敏聚合物上留下了部件的立体模型。再使用电场将金属迁移到留下了部件的立体模型。再使用电场将金属迁移到由上述光刻过程所形成的模型中，将光敏聚合物腐由上述光刻过程所形成的模型中，将光敏聚合物腐蚀掉，这样就得到了一个金属结构。以该金属结构蚀掉，这样就得到了一个金属结构。以该金属结构作为微型模型将其他材料成型为所需要的结构与部作为微型模型将其他材料成型为所需要的结构与部件。件。 特种精密机械加工技术特种精密机械加工技术 在微传感器中特种精密机械加工技术主要用于精在微传感器中特种精密机械加工技术主要用于精密定位

15、、精密机械切割技术等。制造硅微机械传感器密定位、精密机械切割技术等。制造硅微机械传感器时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将时，是把多个芯片制作在一个基片上，因此，需要将每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残每个芯片用分离切断技术分割开来，以避免损伤和残余应力。余应力。 三、微机械传感器的研究现状及发展方向三、微机械传感器的研究现状及发展方向 微机械压力传感器微机械压力传感器 微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，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。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

16、械压力传感器分为压阻式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和电容式两类，分别以体微机械加工技术和“牺牲牺牲层层”LIGA技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、圆形、方形、矩形、E形等多种结构。目前，压阻式压形等多种结构。目前，压阻式压力传感器的精度可答力传感器的精度可答0.05%0.01%，年稳定性达，年稳定性达0.1%/F.S，温度误差为，温度误差为0.0002%，耐压可达几百，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并倍以上，并能进行大范围

17、下的全温补偿。能进行大范围下的全温补偿。 图图10.1 硅电容式集成压力传感器结构示意图硅电容式集成压力传感器结构示意图 图图10.1是一种差动输出的硅电容式集成压力传是一种差动输出的硅电容式集成压力传感器的结构示意图。该传感器核心部件是一个对压感器的结构示意图。该传感器核心部件是一个对压力敏感的电容器力敏感的电容器Cp和固定的参考电容和固定的参考电容Cref。敏感敏感电容电容Cp位于感压硅膜片上，参考电容位于感压硅膜片上，参考电容Cref则位于则位于压力敏感区外。感压的方形硅膜片采用化学腐蚀法压力敏感区外。感压的方形硅膜片采用化学腐蚀法制作在硅芯片上，硅芯片的上、下两侧用静电键合制作在硅芯片

18、上，硅芯片的上、下两侧用静电键合技术分别与硼硅酸玻璃固接在一起，形成有一定间技术分别与硼硅酸玻璃固接在一起，形成有一定间隙的电容器隙的电容器Cp和和Cref 。同时，将后续的信号处理。同时，将后续的信号处理电路与电容制作在同一芯片上，形成集成化传感器。电路与电容制作在同一芯片上，形成集成化传感器。 现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以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：下几个方面： .将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器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；等进行单片集成，研制智能化的压力传感器； .进一步提高压力传感器的灵

19、敏度，实现低量程的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；微压传感器； .提高工作温度，研制高低温压力传感器；提高工作温度，研制高低温压力传感器； .开发谐振式压力传感器。开发谐振式压力传感器。 微加速度传感器微加速度传感器 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。其主要类型有个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、压阻式、电容式、力平衡式和谐振式电容式、力平衡式和谐振式。其中最具有吸引力的。其中最具有吸引力的是力平衡加速度计，其典型产品是是力平衡加速度计，其典型产品是KuehnelKuehnel等人在等人在

20、19941994年报道的年报道的AGXL50AGXL50型，其结构包括型，其结构包括4 4个部分：质量个部分：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集成制作在成制作在3 3mmmm3mm3mm的硅片上，其中机械部分采用表的硅片上，其中机械部分采用表面微机械工艺制作，电路部分采用面微机械工艺制作，电路部分采用BiCMOS ICBiCMOS IC技术制技术制作。作。 图图10.2 硅电容式单轴加速度传感器原理示意图硅电容式单轴加速度传感器原理示意图 图图10.2是一种具有差动输出的硅电容式单轴加是一种具有差动输出的硅电容式单轴加速度传感器原理示意

21、图。基于惯性原理，被测加速速度传感器原理示意图。基于惯性原理，被测加速度度a使连接单元产生反方向的惯性力使连接单元产生反方向的惯性力Fa，使敏感结，使敏感结构产生位移，从而带动活动电极移动，与两个固定构产生位移，从而带动活动电极移动，与两个固定电极形成一对差动敏感电容电极形成一对差动敏感电容C1、C2的变化。将的变化。将C1、C2组成适当的检测电路便可以解算出被测加速度组成适当的检测电路便可以解算出被测加速度a。 该敏感结构只能测量沿连接单元主轴方向的加速该敏感结构只能测量沿连接单元主轴方向的加速度，两个或三个类似结构组合在一起，就可以构成度，两个或三个类似结构组合在一起，就可以构成机械双轴或

22、三轴加速度传感器。机械双轴或三轴加速度传感器。 微机械陀螺微机械陀螺 角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀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，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，近年而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上，近年来人们把目光投向微机械加工技术，希望研制出低成来人们把目光投向微机械加工技

23、术，希望研制出低成本、可批量生产的固态陀螺。目前常见的微机械角速本、可批量生产的固态陀螺。目前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、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，目前实现的微机械陀螺的精度振动环结构等。但是，目前实现的微机械陀螺的精度还不到还不到1010/ /h h，离惯性导航系统所需的离惯性导航系统所需的0.10.1/ /h h相差尚相差尚远。图远。图10.10.3 3为一种结构对称的表面微机械陀螺的结构为一种结构对称的表面微机械陀螺的结构示意图。示意图。图图10.3 微机械陀螺的几何结构示意图微机械陀螺的几何结构示意图 微机械陀螺的工作机理基于科氏效应。工作时，微机械陀螺的工作机理基于科氏效应。工作时，在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在可动叉指和在敏感质量块上施加一直流偏置电压，在可动叉指和固定叉指间施加一适当的交流激励电压，