现代测试技术课件：微机械传感器

微机械传感器【学习目标】

明确微机械传感器的概念、特点，掌握微机械加速度传感器、微机械压力传感器、微机械陀螺等微传感器的结构及作用原理。在信号测试中，能够根据实际情况，学会选择与使用微机械传感器。【学习要求】

理解微机械传感器的概念、特点，熟练掌握微机械加速度传感器、微机械压力传感器、微机械陀螺的设计结构、特性及作用原理，了解微流量传感器、微气体传感器、微温度传感器的工作特性，并对微机械加工技术有一些认识。

微机械传感器是微机电系统的关键要素之一，它的敏感机理与常规传感器一样，知识其敏感元件的尺寸微小，一般是μm级。微传感器的整体尺寸也在mm以下，由微机械加工技术制造而成。常规传感器主要采用金属材料制作，而微传感器则优先采用硅材料制作。如今传感器已经从以金属材料为主的常规传感器时代进入以硅材料为主的微传感器时代。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。3.1微机械传感器的概念及特点3.2微机电系统的主要加工技术微机电系统（MicroelectroMechanicalSystems,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,它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。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。

随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现mems技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件，必须要具备相应微细加工技术。目前，常用的有以下方法：

(1)光刻术(photolithography)图3.2微机械光刻加工仪器实物照片(2)蚀刻技术刻蚀技术又分为以下几种。①化学异向蚀刻②离子束蚀刻③激光蚀刻图3.3化学腐蚀加工仪(3)LIGA技术(4)牺牲层技术(5)外延技术(6)特种微细加工技术(7)分子装配技术(MolecularAssemblage)(8)集成机构(IntegratedMechanism)制造技术

3.3微机械传感器原理3.3.1微机械加速度传感器

微机械加速度传感器（如图3.4）的种类很多,发展也很快,目前微机电加速度传感器的工作原理主要有压阻式、电容式、压电式、力平衡式、微机械热对流式和微机械谐振式等。

1.压阻式微机械加速度传感器压阻式传感器（如图3.5）是利用硅材料的压阻效应制作的传感器,它的工作原理是将被测的加速度转换为硅材料电阻率的变化来进行加速度的测量。比较典型的产品是美国EG&GICSENSORRS公司生产的微机械加速度传感器,其基本结构形式如图3.6所示,这是一种双悬臂梁结构的传感器。

1插座；2传感器；3连杆（可拆装）；4限动螺钉；5支座；6被测构件

图3.5压阻式加速度传感器图3.6双悬臂梁结构传感器工作原理示意图2.电容式加速度传感器电容式加速度传感器（如图3.7）是利用电容原理,将被测加速度转换成电容的变化来进行加速度测量。电容式加速度传感器的灵敏度比较高,易于构成高精度的力平衡式器件,目前国外已有高性能的器件出现。

图3.7电容式加速度传感器

电容式传感器的特点:灵敏度和测量精度高;稳定性好;温度漂移小;功耗极低;良好的过载保护能力;便于利用静电力进行自检。其缺点是:由于传感器的电容量和其变化量极小,同时为减小分布电容的影响,其调理电路必须与传感器集成在一块芯片上。图3.8给出了两种结构形式的微机械电容式加速度传感器。

图3.8微机械电容式加速度传感器3.力平衡式微机械加速度传感器力平衡式微机械加速度传感器是在电容式加速度传感器的基础上发展而来的,它的原理如图3.9所示,将以悬臂梁支撑的惯性质量块作为动极板,在动极板的上下分别有一个定极板,与动极板构成两个电容。

图3.9力平衡式微机械加速度传感器4.微机械热对流加速度传感器热对流加速度传感器是一种新型的加速度传感器,图3.10是微机械热对流加速度传感器作用原理的示意图。在悬臂梁的端部有一扩散加热电阻,加热电阻通电后所产生的热量全部沿梁和上下两个散热板传递,而向上下两个散热板传导热量的速率取决于加热电阻与散热板间的距离,沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板间的相对位置来确定。因此可以通过分布在悬臂梁上的P型硅/铝热电偶对悬臂梁的温度测量来测定悬臂梁与两个散热板的对位置,从而实现对加速度的测量。

图3.11给出了一个微机械热加速度传感器的结构示意图。图3.10微机械热加速度传感器作用原理图3.11微机械热加速度传感器5.微机械谐振式加速度传感器谐振式传感器是利用某种谐振子的固有频率(也有用相位和振幅的)随被测量的变化而变化来进行测量的一种传感器。谐振式传感器的输出特性是频率信号,不必经过模数转换（A/D）就可以方便地与微型计算机连接,组成高精度的测控系统。同时谐振式传感器还具有无活动部件,机械结构牢固,精度高,稳定性好,灵敏度高等特点,是一种很有前途和应用价值的传感器。图3.12是一种传感器的实物外观图结构示意图。

图3.13是一个多晶硅静电式谐振加速度传感器的结构示意图。

图3.12谐振式传感器图3.13微机械谐振加速度传感器6.微机械压电加速度传感器图3.14是一种用ZnO作为敏感材料的微机械压电加速度传感器的示意图。传感器的质量块通过一个臂与基片相连,在这个臂上利用溅射技术制作了一个与臂等面积,厚度为2μm的ZnO压电薄膜,薄膜外生长了一层SiO2将ZnO薄膜密封起来,加速度使梁产生的应变引起ZnO压电薄膜产生压电效应,压电信号通过一个电极耦合到MOS管的栅极,信号被放大后输出。

图3.14微机械压电加速度传感器7.隧道电流式微加速度传感器隧道电流式微加速度传感器的工作原理是基于隧道效应。图3.15是一种折叠梁式隧道电流式微加速度传感器的结构图。其中图3.15(a)所示是对电极极板,在极板上蒸镀一层金作为电极,图3.15(b)所示包括检测质量、隧尖和折叠梁弹簧,将图3.15(b)所示的板叠加在图3.15(a)所示板上,就构成了加速度传感器,其侧向图图3.15(c)所示。在两层镀金的电容极板上施加驱动电压，由驱动电压产生的静电力与折叠梁的弹性力及检测质量的惯性力相平衡。在闭环系统内,通过调节驱动电压,使隧道间隙s维持在1nm左右,这样,隧道电流I也维持在一个常值,而驱动电压的变化就直接反映了被测量的大小。图3.15折叠式隧道电流式微加速度传感器结构图3.3.2微机械压力传感器微机械压力传感器（如图3.16）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。

图3.16微机械压力传感器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。（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）提高工作温度，研制高低温压力传感器。（3）开发谐振式压力传感器。

3.3.3微机械陀螺陀螺仪是用于测量物体相对惯性空间转动的角速度或者角度的装置。陀螺的主要性能指标有标度因子（scalefactor）、阈值（threshold）和分辨率（resolution）最大输入角速度（Maximuminputangularvelocity）、零偏（bias）、零偏稳定性（BiasStability）、角度随机游走（anglerandomwalk）、带宽（bandwidth）等。

陀螺发展到今天，出现了各种各样结构的陀螺（如图3.17）。按照它们的工作原理，可以把陀螺分为三大类：机械转子陀螺仪、光学陀螺仪和振动式陀螺仪。1．机械转子陀螺仪机械转子陀螺利用角动量守恒原理检测角速度，这种陀螺的共同特点是都有一个高速旋转的转子。根据角动量受恒原理，在不受外部力矩的情况下，转子的角动量矢量在惯性系中保持不变。

图3.17各种各样结构的陀螺2．光学陀螺光学陀螺是70年代后发展起来的新型陀螺，包括激光陀螺和光纤陀螺两大类。光学陀螺的基本原理与转子式陀螺是完全不同的，其敏感原理基于萨格奈可（Sagnac）效应，如图3.20所示。

图3.18万向节机械转子陀螺仪结构图图3.19柔性支承机械转子陀螺图3.20Sagnac效应示意图3．振动陀螺振动式陀螺的基本原