微纳尺度传感器

微纳尺度传感器

微纳尺度传感器的发展微机电系统

随着微电子加工技术的不断发展,其加工尺寸正从微米量级向纳米量级推进。微型机电系统就是随微电子技术发展起来的一个产物。所谓微型机电系统是指那些大小在毫米量级以下、构成元件尺寸在微米、纳米量级的可控制、可运动的微型机电装置。

微型机电系统不仅指体积微型化,而且还指可大批量重复生产,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理、控制、通信等功能于一体的系统,其中的微型传感器的作用就是采集外部信息。外部信息（物理量）：位置、速度、加速度、压力、力、力矩、磁场、温度、湿度、气体成分、光、声音等。微纳传感器的作用微型传感器把上述的物理量转换成电信号或其它能处理的信号,并提供给微系统,微系统据此作出正确判断,向微执行器发出指令,完成一定的任务。可见,微机电系统是一个完整的具有一定功能的系统,其中的微型传感器是不可缺少的重要的一部分。

80年代末,微电子加工技术与传统的传感器技术相结合产生了微传感器和微执行器,开拓了微型机电系统的新领域。

微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微型机电器件。随着微电子加工技术,特别是纳米加工技术的进一步发展,传感器技术正在从微型传感器逐渐向纳米传感器发展。几种典型的微型传感器微型压力传感器微型加速度传感器磁学量传感器一、微型压力传感器

目前具有实用价值并得到较广泛应用的是微型力敏传感器、微型压力传感器以及微型加速度传感器。微型土压力传感器称重压力传感器超小型压力传感器原理硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2生活中的应用压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS（轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。在军事中的运用作为一个在海上应用的实例,MEMS引信/保险和引爆F/SA装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。在空中应用方面,MEMS压力传感器已在F-14战斗机弹射座的助推火箭上进行了测试。喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料,被用于各种监视该类发动机内部动力学特性的传感器上。二、微型加速度传感器加速度传感器是一种惯性传感器，一般由敏感元件、交换元件、测量电路三部分组成，可用如下框图表示：微型加速度传感器根据传感器敏感元件和转换原件的不同，加速度传感器可以分为电容式、压电式、光纤式、压阻式等类型。电容式加速度传感器

电容式加速度传感器可以将振动位移参量的变化转变成为电容量的变化，其基本敏感机理比较简单。简单原理上下极板为固定电容极板具有公共电极，中间质量块为可动电容极板。当有外界振动时可动极板跟随振动，从而改变电容。采用MEMS有关工艺制成的微加速度计，其敏感芯片的体积仅和成人的小指甲盖大小差不多，比采用精密机械加工成的加速度计小12个数量级。由于其质量小，因此能承受高冲击，实验测试这种原理的微加速度计在不加电状态下X、Y、Z三个方向至少可以承受数百乃至数千g以上的冲击。微型加速度传感器

微型压电式加速度传感器微型加速度传感器的应用加速度传感器可应用在控制，手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视，工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析；鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。三、磁学量传感器磁学量传感器所用最多的就是人们常说的霍尔式磁学量传感器。原理霍尔式传感器的原理就是霍尔效应。金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，如图所示，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U,这种物理现象成为霍尔效应。该电势U称霍尔电势。

霍尔传感器

霍尔传感器应用归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：①当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。②当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施。③若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。

纳米传感器气敏传感器

湿敏传感器压敏传感器气敏传感器气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。气敏传感器它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。原理声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。甲醛气敏传感器酒精气敏传感器应用气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂勠11、R12蓠检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。湿度传感器湿度传感器是指能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。原理湿度传感器的工作原理是由半导体纳米材料制成的陶瓷电阻是由湿度的变化关系决定的。纳米固体具有明显的湿敏特性。纳米固体具有巨大的表面和界面，对外界环境湿气十分敏感。环境湿度迅速引起其表面或界面离子价态和电子运输的变化

湿敏传感器压敏传感器在压敏传感器中研究和应用日渐活跃的是氧化锌系纳米传感器，由于其具有均匀的晶粒尺寸，它不但适用于低电压器件，而且更适用于高电压电力站，它能量吸收容量高，在大电流时非线性好，响应时间短，电学性能极好，且寿命长。原理纳米氧化锌压敏传感器高度的非线性电压－电流关系，主要由绝缘晶界层决定。两个ZnO分解，形成填隙Zn原子，同时产生氧空位V0，如下式所示：ZnO→Zn+V0+1/2O2Zn及V0经一次和二次电离，就形成以e－为载流子的N型半导体了。总述传感器在经济、科技和军事领域中已得到广泛应用。现代信息产业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术,它们分别构成了信息系统的感官、神经和大脑。所以说传感器是信息社会的重要技术基础,是信息