微机械传感器课件

1、第十章 微机械传感器简介一、微机械传感器的历史 传感器技术一个重要的里程碑是20世纪60年代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、PN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、多功能化和智能化方向迅速发展起来。 微机电系统（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。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

2、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。 简单而言，微机械传感器是采用微电子工艺技术和微机械加工技术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。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 微机械传感器的敏感结构所应用的材料首选硅，包括单晶硅、多晶硅、非晶硅和硅蓝宝石等。 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。它还具有良好的导热性，在自然界储量丰

3、富，成本低，非常适合于制成片状结构。 非晶硅又称无定形硅,呈棕黑色或灰黑色的微晶体,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、钾等在加热下还原四卤化硅，或用C还原二氧化硅制得，短程有序而长程无序。 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-Si倒相器、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。 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非常微小，其典型尺寸在m量级。因此，在制造过程中必须采用特殊的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三维敏感结构。

4、通常认为微机械加工工艺主要包括：半导体硅微机械加工技术、LIGA技术（X射线深层光刻电铸成型技术）和特种精密机械加工技术，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MEMS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、微型工作台等。 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的IC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MEMS器件。当前

5、硅基微机械加工技术可分为体微加工技术和表面微加工技术两大类。 表面微加工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，全部加工仅涉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、X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。 硅微机械加工技术包含的主要工艺有：腐蚀、键合、光科、氧化、扩散、溅射等。 微机械加

6、工LIGA技术 以德国为代表的LIGA技术是指采用同步X射线深层光刻、微电铸制模和注塑复制等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。先用强大的同步加速度产生的X射线，通过掩膜照射，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件。 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，需要将每个芯片用分离切断技术分

7、割开来，以避免损伤和残余应力。 图10.1 硅电容式集成压力传感器结构示意图 图10.1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力敏感的电容器Cp和固定的参考电容Cref。敏感电容Cp位于感压硅膜片上，参考电容Cref则位于压力敏感区外。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Cp和Cref 。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。 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。其主要类型有压阻式、电容式

8、、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，其结构包括4个部分：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集成制作在3mm3mm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BiCMOS IC技术制作。 图10.2 硅电容式单轴加速度传感器原理示意图 图10.2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图。基于惯性原理，被测加速度a使连接单元产生反方向的惯性力Fa，使敏感结构产生位移，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C1、C2的变化。将C1、C2组成适当的检测电路便可以

9、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三轴加速度传感器。 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，近年来人们把目光投向微机械加工技术，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还不到10/h，离惯性导航系统所需的0

10、.1/h相差尚远。图10.3为一种结构对称的表面微机械陀螺的结构示意图。图10.3 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，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，从而使敏感质量块沿y轴方向的产生固有振动。当陀螺感受到绕z轴的角速度时，由于科氏效应，敏感质量块将产生沿x轴的附加振动。通过测量上述附加振动的幅值就可以得到被测的角速度。 图10.4 微机械陀螺的SEM图 图10.4为该微机械陀螺的SEM图，其平面外轮廓的结构参数为1mm1mm，厚度为2m。 图10.5是一种基于科氏效应的微机械质量流量传感器。其中，(a)为传感器三维视图，(b)为传感器横截面视图。它可实现对质量流量的直