第12講 MEMS傳感器

1、第第11章章 MEMS傳感器傳感器11.1 MEMS傳感器及特點(diǎn)傳感器及特點(diǎn)11.2 MEMS傳感器加工技術(shù)傳感器加工技術(shù)11.3 微傳感器的應(yīng)用微傳感器的應(yīng)用習(xí)題習(xí)題 思考n世界上最先進(jìn)的世界上最先進(jìn)的MEMSMEMS加工設(shè)備是哪個(gè)國(guó)家生產(chǎn)的。如加工設(shè)備是哪個(gè)國(guó)家生產(chǎn)的。如果我們引進(jìn)這樣的設(shè)備建立實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)和生產(chǎn)的意果我們引進(jìn)這樣的設(shè)備建立實(shí)驗(yàn)室，學(xué)習(xí)和生產(chǎn)的意義是什么？義是什么？( (從工藝方面考慮從工藝方面考慮) )n應(yīng)如何維護(hù)應(yīng)如何維護(hù)MEMSMEMS加工設(shè)備的工作環(huán)境？加工設(shè)備的工作環(huán)境？ MEMS概念概念MEMS（Micro Electric Mechanical System）

2、：即微）：即微電子機(jī)械系統(tǒng)。用微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)制造的微電子機(jī)械系統(tǒng)。用微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)制造的微敏感器件與微執(zhí)行器的總和。敏感器件與微執(zhí)行器的總和。 MEMSMEMS技術(shù)的應(yīng)用：技術(shù)的應(yīng)用：大屏幕彩電高分辨率大屏幕彩電高分辨率(2048(20481152)1152)投影顯示屏投影顯示屏DMDDMD；微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星；微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星；DNADNA反應(yīng)室；反應(yīng)室；外科手術(shù)微米鑷對(duì)血球及外科手術(shù)微米鑷對(duì)血球及DNADNA操作技術(shù)等操作技術(shù)等 MEMS傳感器（微傳感器）：傳感器（微傳感器）： 用用MEMS技術(shù)制作的技術(shù)制作的傳感器；傳感器；微傳感器：體積小，敏感元件尺寸微傳感器：體積小

3、，敏感元件尺寸0.1100m，其結(jié)，其結(jié)構(gòu)工藝、設(shè)計(jì)等許多特殊的現(xiàn)象和規(guī)律；構(gòu)工藝、設(shè)計(jì)等許多特殊的現(xiàn)象和規(guī)律；常見(jiàn)微電子器件：運(yùn)算放大器；邏輯門(mén)電路；微處理常見(jiàn)微電子器件：運(yùn)算放大器；邏輯門(mén)電路；微處理器等；器等；微電技術(shù)：使信號(hào)處理芯片復(fù)雜程度上升和價(jià)格的下微電技術(shù)：使信號(hào)處理芯片復(fù)雜程度上升和價(jià)格的下降；降；11.1 MEMS11.1 MEMS傳感器及特點(diǎn)傳感器及特點(diǎn) 傳感器傳感器+處理器處理器+執(zhí)行器執(zhí)行器測(cè)控系統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)輸入信號(hào)（被測(cè)量）系統(tǒng)邊界傳感器處理器執(zhí)行器輸出信號(hào)測(cè)控系統(tǒng)基本組成測(cè)控系統(tǒng)基本組成目前測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)：目前測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)：處理器性?xún)r(jià)比較高；處理器性?xún)r(jià)比較高；傳感器

4、和執(zhí)行器發(fā)展滯后；傳感器和執(zhí)行器發(fā)展滯后；微傳感器三個(gè)層次的含義：微傳感器三個(gè)層次的含義：1）單一敏感元件，尺寸小。采用精密加工、微）單一敏感元件，尺寸小。采用精密加工、微 電技術(shù)及電技術(shù)及MEMS技術(shù)加工；技術(shù)加工；2）集成傳感器，將微小敏感元件、信號(hào)處理、）集成傳感器，將微小敏感元件、信號(hào)處理、 數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上；數(shù)據(jù)處理裝置封裝在一塊芯片上；3）微型測(cè)控系統(tǒng)。包括微傳感器、微執(zhí)行器，）微型測(cè)控系統(tǒng)。包括微傳感器、微執(zhí)行器， 可以獨(dú)立工作。也可由多個(gè)微傳感器組成傳可以獨(dú)立工作。也可由多個(gè)微傳感器組成傳 感網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地聯(lián)網(wǎng)；感網(wǎng)絡(luò)或通過(guò)其它網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地聯(lián)網(wǎng)；體積小，

5、重量輕。體積小，重量輕。 利用利用MEMSMEMS技術(shù)：技術(shù)：微傳感器封裝后尺寸為毫米量級(jí)，微傳感器封裝后尺寸為毫米量級(jí)，或更?。恢亓恳话愣荚趲卓嘶蚋。恢亓恳话愣荚趲卓?幾十克。幾十克。 如如壓力微傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)，壓力微傳感器已經(jīng)可以小到放在注射針頭內(nèi)，送進(jìn)血管測(cè)量血液流動(dòng)情況；或裝載到飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉送進(jìn)血管測(cè)量血液流動(dòng)情況；或裝載到飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面，用來(lái)測(cè)量氣體的流速和壓力；片表面，用來(lái)測(cè)量氣體的流速和壓力；能耗低能耗低 很多場(chǎng)合，很多場(chǎng)合，傳感器及配套的測(cè)量系統(tǒng)都是利用電池傳感器及配套的測(cè)量系統(tǒng)都是利用電池供電的。因此傳感器能耗大小，在某種程度上決定了整供電的。因此

6、傳感器能耗大小，在某種程度上決定了整個(gè)儀器系統(tǒng)可供連續(xù)使用的時(shí)間。個(gè)儀器系統(tǒng)可供連續(xù)使用的時(shí)間。微傳感器優(yōu)點(diǎn)微傳感器優(yōu)點(diǎn)性能好性能好微傳感器在幾何尺寸上的微型化，在保持原有敏微傳感器在幾何尺寸上的微型化，在保持原有敏感特性的同時(shí)，提高了溫度穩(wěn)定性，不易受到外界溫度感特性的同時(shí)，提高了溫度穩(wěn)定性，不易受到外界溫度干擾。敏感元件的自諧振頻率提高，工作頻帶加寬，敏干擾。敏感元件的自諧振頻率提高，工作頻帶加寬，敏感區(qū)間變小，空間解析度提高。感區(qū)間變小，空間解析度提高。易于批量生產(chǎn)，成本低易于批量生產(chǎn)，成本低微傳感器的敏感元件一般是利用硅微加工工藝制微傳感器的敏感元件一般是利用硅微加工工藝制造的，這種工

7、藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是適合于批量生產(chǎn)。造的，這種工藝的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是適合于批量生產(chǎn)。大批量生產(chǎn)使得微傳感器單件的生產(chǎn)成本大大降低。大批量生產(chǎn)使得微傳感器單件的生產(chǎn)成本大大降低。便于集成化和多功能化。便于集成化和多功能化。 微傳感器能感知與轉(zhuǎn)換兩種以上不同的物理或化微傳感器能感知與轉(zhuǎn)換兩種以上不同的物理或化學(xué)參量；學(xué)參量；例如，在同一硅片上制作應(yīng)變計(jì)和溫度敏感元件，例如，在同一硅片上制作應(yīng)變計(jì)和溫度敏感元件，制成同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的多功能微傳感器，將處理電制成同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的多功能微傳感器，將處理電路也制作在同一硅片上，還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。路也制作在同一硅片上，還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 將檢測(cè)幾

8、種不同氣體的敏感元件用厚膜制造工藝將檢測(cè)幾種不同氣體的敏感元件用厚膜制造工藝制作在同一基片上，制成檢測(cè)多種氣體的多功能微傳感制作在同一基片上，制成檢測(cè)多種氣體的多功能微傳感器。器?，F(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可同時(shí)檢測(cè)鈉、鉀和氫離子的微現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出可同時(shí)檢測(cè)鈉、鉀和氫離子的微傳感器陣列，用于檢測(cè)血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，傳感器陣列，用于檢測(cè)血液中的鈉、鉀和氫離子的濃度，對(duì)診斷心血管疾病有重大意義。該微傳感器尺寸為對(duì)診斷心血管疾病有重大意義。該微傳感器尺寸為2.5nm2.5nm0.5nm0.5nm，可直接用導(dǎo)管送到心臟內(nèi)測(cè)量。，可直接用導(dǎo)管送到心臟內(nèi)測(cè)量。提高傳感器的智能化水平提高傳感器的智能化水平。

9、智能傳感器是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算智能傳感器是測(cè)量技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)和材料科學(xué)互相技術(shù)、信息處理技術(shù)、微電子學(xué)和材料科學(xué)互相結(jié)合的綜合密集技術(shù)。結(jié)合的綜合密集技術(shù)。與一般傳感器相比，智能傳感器具有自補(bǔ)與一般傳感器相比，智能傳感器具有自補(bǔ)償能力、自校準(zhǔn)功能、自診斷功能、尋址處理能償能力、自校準(zhǔn)功能、自診斷功能、尋址處理能力、雙向通信功能、信息存儲(chǔ)、記憶和數(shù)字量輸力、雙向通信功能、信息存儲(chǔ)、記憶和數(shù)字量輸出功能。出功能。MEMSMEMS技術(shù)在傳感器方面的應(yīng)用，大大提高技術(shù)在傳感器方面的應(yīng)用，大大提高了傳感器的智能化水平。利用了傳感器的智能化水平。利用MEMSME

10、MS技術(shù)可以將信技術(shù)可以將信號(hào)調(diào)節(jié)電路、信號(hào)處理電路號(hào)調(diào)節(jié)電路、信號(hào)處理電路( (甚至包含微處理器甚至包含微處理器) )、接口電路等與傳感器封裝成一體，組成微傳感器接口電路等與傳感器封裝成一體，組成微傳感器系統(tǒng)。系統(tǒng)。電子工程測(cè)量技術(shù)半導(dǎo)體物理微電子無(wú)線(xiàn)電工程射頻技術(shù)1970年1980年2000年1990年2010年測(cè)量?jī)x器集成化傳感器手機(jī)RFIDCMOSGaAsSiGeCMOS/MEMSCMOS+無(wú)線(xiàn)傳感器微系統(tǒng)微處理器微機(jī)械圖中顯示了微加工技術(shù)的進(jìn)步對(duì)微傳感器、微圖中顯示了微加工技術(shù)的進(jìn)步對(duì)微傳感器、微傳感器系統(tǒng)乃至射頻通信技術(shù)的影響。傳感器系統(tǒng)乃至射頻通信技術(shù)的影響。11.2 MEMS1

11、1.2 MEMS傳感器加工技術(shù)傳感器加工技術(shù)體微加工技術(shù)體微加工技術(shù) 利用蝕刻工藝對(duì)塊狀硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，主利用蝕刻工藝對(duì)塊狀硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工，主包括蝕刻和停止蝕刻兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。包括蝕刻和停止蝕刻兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。表面微加工技術(shù)表面微加工技術(shù) 采用光刻等手段，使得硅片等表面淀積或生長(zhǎng)而成的采用光刻等手段，使得硅片等表面淀積或生長(zhǎng)而成的多層薄膜分別具有一定的圖形，然后去除某些不需要的多層薄膜分別具有一定的圖形，然后去除某些不需要的薄膜層，從而形成三維結(jié)構(gòu)。薄膜層，從而形成三維結(jié)構(gòu)。鍵合技術(shù)鍵合技術(shù)固相鍵合技術(shù)就是不用液態(tài)粘結(jié)劑而將兩固相鍵合技術(shù)就是不用液態(tài)粘結(jié)劑而將兩塊固體材料鍵合在

12、一起，且鍵合過(guò)程中材料始終塊固體材料鍵合在一起，且鍵合過(guò)程中材料始終處于固相狀態(tài)。（包括陽(yáng)極鍵合與直接鍵合）處于固相狀態(tài)。（包括陽(yáng)極鍵合與直接鍵合）光刻電鑄注塑技術(shù)（光刻電鑄注塑技術(shù)（LIGALIGA）一種基于一種基于X X射線(xiàn)光刻技術(shù)的射線(xiàn)光刻技術(shù)的MEMSMEMS加工技術(shù)。加工技術(shù)。主要包括主要包括X X光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模光深度同步輻射光刻，電鑄制模和注模復(fù)制三個(gè)工藝步驟。復(fù)制三個(gè)工藝步驟。11.3 11.3 幾種典型微傳感器的原理和應(yīng)用幾種典型微傳感器的原理和應(yīng)用1 1、電熱堆、電熱堆組成熱電堆的兩種金屬材料分別為鉑組成熱電堆的兩種金屬材料分別為鉑( (厚厚1 1 m)m

13、)及及鋅銻合金鋅銻合金( (厚厚1 1 m)m)。熱端置于帕利靈。熱端置于帕利靈(parylene)(parylene)薄膜薄膜( (厚約厚約25.425.4 m)m)上。帕利靈薄膜作為熱絕緣層，將熱端上。帕利靈薄膜作為熱絕緣層，將熱端與冷端隔開(kāi)。與冷端隔開(kāi)。氮 化 鋁鋅 銻 合 金鉑輻 射 吸 收 層帕 利 靈熱電堆結(jié)構(gòu)示意圖2 2、螺旋式熱電偶、螺旋式熱電偶采用采用N N型多晶硅與鋁熱電偶。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于型多晶硅與鋁熱電偶。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于利用有限的矩形面積容納了盡可能長(zhǎng)而窄的結(jié)構(gòu)，提高利用有限的矩形面積容納了盡可能長(zhǎng)而窄的結(jié)構(gòu)，提高了熱阻，增強(qiáng)了輸出信號(hào)強(qiáng)度。由于熱電偶的結(jié)構(gòu)很窄，

14、了熱阻，增強(qiáng)了輸出信號(hào)強(qiáng)度。由于熱電偶的結(jié)構(gòu)很窄，可利用各向同性的干法反應(yīng)離子刻蝕可利用各向同性的干法反應(yīng)離子刻蝕(RIE)(RIE)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硅基底的加工。由于全部加工工藝與硅基底的加工。由于全部加工工藝與CMOSCMOS工藝兼容，因工藝兼容，因此可將信號(hào)放大電路集成在同一芯片上。此可將信號(hào)放大電路集成在同一芯片上。 12341-為加工的空腔；2-介電層、多晶及鋁組成的三明治式螺旋結(jié)構(gòu)；3-熱端；4-未刻蝕硅基底上的微傳感器輸出端采用CMOS工藝制作的螺旋結(jié)構(gòu)熱電偶 3 3、石英諧振溫度微傳感器、石英諧振溫度微傳感器扭轉(zhuǎn)振動(dòng)音叉固定塊電極引出點(diǎn)音叉結(jié)構(gòu)的石英諧振溫度微傳感器音叉

15、結(jié)構(gòu)的石英諧振溫度微傳感器諧振器工作于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式，諧振器的諧振頻率為諧振器工作于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式，諧振器的諧振頻率為溫度的函數(shù)。由于石英晶體諧振器的阻尼所帶來(lái)的能量損溫度的函數(shù)。由于石英晶體諧振器的阻尼所帶來(lái)的能量損耗一般在耗一般在100100 W W的量級(jí)，因此這種微傳感器在流體環(huán)境中的量級(jí)，因此這種微傳感器在流體環(huán)境中的自熱現(xiàn)象一般不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響的自熱現(xiàn)象一般不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。石英晶體諧振器的基本頻率石英晶體諧振器的基本頻率0可根可根據(jù)對(duì)溫度靈敏度的要求來(lái)選取。例據(jù)對(duì)溫度靈敏度的要求來(lái)選取。例如，要求溫度每變化如，要求溫度每變化1時(shí)頻率變時(shí)頻率變化化1000Hz，如果諧振器的頻

16、率溫度，如果諧振器的頻率溫度系數(shù)為系數(shù)為35.410-6/，則基本頻率，則基本頻率應(yīng)為應(yīng)為6601000/35.4 1028 10fHz一般石英諧振式溫度傳感器的參數(shù)：一般石英諧振式溫度傳感器的參數(shù)：1）振蕩頻率：振蕩頻率： 256kHz28MHz；2）溫度系數(shù)：）溫度系數(shù)： 1910-69010-6/；3）靈敏度：）靈敏度： 1000MHz/左右（左右（ -5050的的 溫度范圍內(nèi)）；溫度范圍內(nèi)）；4）分辨率：）分辨率： 0.0001；注：注： 某些特殊設(shè)計(jì)的傳感器的測(cè)量范圍可達(dá)某些特殊設(shè)計(jì)的傳感器的測(cè)量范圍可達(dá)到到-40300，但線(xiàn)性度比較差。，但線(xiàn)性度比較差。4 4、無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感

17、器、無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器的敏感器件有無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器的敏感器件有兩種形式兩種形式：延遲線(xiàn)型及諧振器型，如圖所示。延遲線(xiàn)型及諧振器型，如圖所示。反 射 柵壓 電 晶 體ID T天 線(xiàn)訪 問(wèn) 信 號(hào)回 波 信 號(hào)訪 問(wèn) 信 號(hào)回 波 信 號(hào)反 射 柵壓 電 晶 體ID T天 線(xiàn)(a) (a) 延遲線(xiàn)型延遲線(xiàn)型 (b) (b) 諧振器型諧振器型延遲線(xiàn)型無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器延遲線(xiàn)型無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器：有一組與天線(xiàn)連接有一組與天線(xiàn)連接在一起的在一起的IDTIDT，既作為發(fā)射，既作為發(fā)射IDTIDT，也作為接收，也作為接收IDTIDT。而延遲。而延遲時(shí)間則是通過(guò)在器件上

18、與時(shí)間則是通過(guò)在器件上與IDTIDT間隔一定距離制做聲表面波間隔一定距離制做聲表面波反射柵的方式實(shí)現(xiàn)的。延遲時(shí)間則通過(guò)提取回波信號(hào)的相反射柵的方式實(shí)現(xiàn)的。延遲時(shí)間則通過(guò)提取回波信號(hào)的相位差實(shí)現(xiàn)。位差實(shí)現(xiàn)。諧振器型無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器諧振器型無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器：其敏感器件與普通：其敏感器件與普通的諧振器型聲表面波器件類(lèi)似，也是通過(guò)提取回波信號(hào)中的諧振器型聲表面波器件類(lèi)似，也是通過(guò)提取回波信號(hào)中的諧振頻率實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)檢測(cè)。諧振頻率的檢測(cè)可采用模擬及的諧振頻率實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)檢測(cè)。諧振頻率的檢測(cè)可采用模擬及數(shù)字兩種方法。模擬的方法可采用門(mén)控鎖相技術(shù)進(jìn)行鑒頻；數(shù)字兩種方法。模擬的方法可采用門(mén)控鎖相技術(shù)進(jìn)行鑒

19、頻；數(shù)字的方法則可利用快速傅里葉變換，直接從回波信號(hào)中數(shù)字的方法則可利用快速傅里葉變換，直接從回波信號(hào)中提取諧振頻率。提取諧振頻率。3.3m反射柵接天線(xiàn)接天線(xiàn)10l3lIDTLiNbO3敏感材料天線(xiàn)微型無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波溫度傳感器應(yīng)用于溫度檢測(cè)時(shí)，這種無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感應(yīng)用于溫度檢測(cè)時(shí)，這種無(wú)源無(wú)線(xiàn)聲表面波傳感器所采用的主要為延遲線(xiàn)型形式。器所采用的主要為延遲線(xiàn)型形式。制作：制作： 在陶瓷、玻璃或硅基片上制作一層鈮在陶瓷、玻璃或硅基片上制作一層鈮酸鋰酸鋰(LiNbO3)薄膜，金屬鋁薄膜；薄膜，金屬鋁薄膜； 用平面光刻工藝制作一對(duì)連接到微波用平面光刻工藝制作一對(duì)連接到微波天線(xiàn)上的天線(xiàn)上的IDT以

20、及一對(duì)反射柵；以及一對(duì)反射柵；工作原理：工作原理： 天線(xiàn)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)天線(xiàn)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)IDT激勵(lì)起聲表面波；傳播激勵(lì)起聲表面波；傳播到反射光柵，反射回波到到反射光柵，反射回波到IDT，轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。由于兩個(gè)反射，轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)射出去。由于兩個(gè)反射柵的位置不同，反射回波的時(shí)間間隔與器件溫度有關(guān)。柵的位置不同，反射回波的時(shí)間間隔與器件溫度有關(guān)。 這種溫度傳感器的檢測(cè)精度并不是很高，其這種溫度傳感器的檢測(cè)精度并不是很高，其突出突出優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)方式優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)方式。因此，在一些嚴(yán)格限制。因此，在一些嚴(yán)格限制不能采用有不能采用有線(xiàn)方式為傳感器提供電源的場(chǎng)合非

21、常適用線(xiàn)方式為傳感器提供電源的場(chǎng)合非常適用。另外，這種。另外，這種傳感器傳感器還可嵌入在旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)的部件中還可嵌入在旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)的部件中，如汽車(chē)輪胎、，如汽車(chē)輪胎、火車(chē)車(chē)輪、飛機(jī)馬達(dá)等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的溫度檢測(cè)。雖火車(chē)車(chē)輪、飛機(jī)馬達(dá)等，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的溫度檢測(cè)。雖然訪問(wèn)系統(tǒng)的工作頻率高，電路組成比較復(fù)雜一些，但然訪問(wèn)系統(tǒng)的工作頻率高，電路組成比較復(fù)雜一些，但器件本身容易采用微細(xì)加工工藝制作，成本低廉，是一器件本身容易采用微細(xì)加工工藝制作，成本低廉，是一種很有發(fā)展前途的傳感器種很有發(fā)展前途的傳感器。5 5、紅外光微傳感器、紅外光微傳感器利用微加工技術(shù)很容易實(shí)現(xiàn)輻射熱測(cè)量器的設(shè)計(jì)制作。由利用微加工技術(shù)很

22、容易實(shí)現(xiàn)輻射熱測(cè)量器的設(shè)計(jì)制作。由于可以制作出很好的熱絕緣微結(jié)構(gòu)，微傳感器的性能也很于可以制作出很好的熱絕緣微結(jié)構(gòu)，微傳感器的性能也很理想。圖示為一種紅外光微傳感器的結(jié)構(gòu)。理想。圖示為一種紅外光微傳感器的結(jié)構(gòu)。支 撐 梁硅 襯 底敏 感 膜 片熱 輻 射襯 底熱輻射測(cè)量器型紅外光微傳感器結(jié)構(gòu)熱輻射測(cè)量器型紅外光微傳感器結(jié)構(gòu)6 6、壓力微傳感器、壓力微傳感器Pinput1真空絕對(duì)測(cè)量Pinput1密封測(cè)量PreferencePinput1環(huán)境壓力非密封測(cè)量Pinput1差分測(cè)量Pinput2壓力微傳感器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式壓力微傳感器的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式其中其中Pinput1及及Pinput2為被測(cè)量的壓為

23、被測(cè)量的壓力，力，Preference為參為參考?jí)毫?。考?jí)毫Α?壓力微傳感器分類(lèi)：壓力微傳感器分類(lèi)：密封測(cè)量：測(cè)量與一個(gè)密封的參照腔相對(duì)壓力；密封測(cè)量：測(cè)量與一個(gè)密封的參照腔相對(duì)壓力； （絕對(duì)壓力差）（絕對(duì)壓力差）非密封測(cè)量：測(cè)量?jī)蓚€(gè)端口輸入壓力差。非密封測(cè)量：測(cè)量?jī)蓚€(gè)端口輸入壓力差。7 7、單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器、單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器 組成：硅片（敏感質(zhì)組成：硅片（敏感質(zhì)量塊量塊+懸臂梁）懸臂梁）+兩塊玻兩塊玻璃；璃；懸臂梁上，通過(guò)擴(kuò)散懸臂梁上，通過(guò)擴(kuò)散法集成了壓阻；質(zhì)量塊法集成了壓阻；質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)氣 隙壓 敏 電 阻2mm玻 璃 蓋 板 上 腐 蝕的 腔 的 輪 廓P+擴(kuò)

24、散鍵 合 盤(pán)引 線(xiàn)20m玻 璃氣 隙檢 測(cè) 質(zhì) 量 跨 塊硅 梁導(dǎo) 電 環(huán) 氧引 線(xiàn)3mm一種具體的單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)一種具體的單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)懸臂梁彎曲，懸臂梁彎曲，壓阻阻值變化。壓阻阻值變化。制作這樣一個(gè)加速度微傳感器的基本工藝制作這樣一個(gè)加速度微傳感器的基本工藝背面光刻KOH腐蝕正面光刻KOH腐蝕氣隙Si質(zhì)量梁支撐SiO2硅單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的制作單懸臂梁壓阻式加速度微傳感器的制作工藝過(guò)程工藝過(guò)程1）在硅片上腐蝕定位孔，覆蓋）在硅片上腐蝕定位孔，覆蓋一層帶有一定圖形的大約一層帶有一定圖形的大約1.5m厚的熱氧化物；厚的熱氧化物；2）兩次擴(kuò)散，形成連

25、接線(xiàn)和壓）兩次擴(kuò)散，形成連接線(xiàn)和壓阻；阻；3）硅片正面淀積氧化物，對(duì)硅）硅片正面淀積氧化物，對(duì)硅片背面氧化物圖形化，用片背面氧化物圖形化，用KON刻蝕形成梁形狀；刻蝕形成梁形狀；4）對(duì)正面氧化物圖形化；）對(duì)正面氧化物圖形化；5）金屬化玻璃層形成空腔，玻）金屬化玻璃層形成空腔，玻璃上淀積圖形化一層鋁，形成璃上淀積圖形化一層鋁，形成縫合盤(pán)；縫合盤(pán)；6）硅片夾在玻璃之間縫合，劃）硅片夾在玻璃之間縫合，劃片。片。體積：體積：2mm3mm0.6mm（可植入體內(nèi)）（可植入體內(nèi)）測(cè)量最低加速度值測(cè)量最低加速度值0.001g。8、催化燃燒型可燃?xì)怏w微傳感器催化燃燒型可燃?xì)怏w微傳感器 傳感器的檢測(cè)元件：鉑金屬電

26、阻（保持傳感器的檢測(cè)元件：鉑金屬電阻（保持300400C）；）；原理：與可燃?xì)怏w接觸原理：與可燃?xì)怏w接觸 在催化層燃燒在催化層燃燒 鉑電阻鉑電阻溫度上升溫度上升 阻值上升阻值上升 測(cè)阻值變化知可燃?xì)怏w濃測(cè)阻值變化知可燃?xì)怏w濃度度可燃性氣體環(huán)境中的氧氣鉑或鈀催化劑熱敏電阻及電熱元件硅襯底氮 化 硅 膜鉑 或 鈀 催 化 劑鉑 或 鈦鉑 電 阻惰 性 層（ 如 氮 化 硅 ）(a)(a)工作原理工作原理(b)(b)微傳感結(jié)構(gòu)微傳感結(jié)構(gòu)催化燃燒型可燃?xì)怏w微傳感器的結(jié)構(gòu)催化燃燒型可燃?xì)怏w微傳感器的結(jié)構(gòu)9、電導(dǎo)敏感元件、電導(dǎo)敏感元件 在中央部位表面利用納米材料制作氣體敏感薄膜在中央部位表面利用納米材料制作氣體敏感薄膜( (如如SnOSnO2 2) )，則該元件即成為氣體微傳感器的基礎(chǔ)元件，可用，則該元件即成為氣體微傳感器的基礎(chǔ)元件，可用于制作各種類(lèi)型的氣體微傳感器以及微傳感器列陣。于制作各種類(lèi)型的氣體微傳感器以及微傳感器列陣。這種微傳感器的這種微傳感器的優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)：體積小、功耗低、可批量生產(chǎn)；：體積小、功耗低、可批量生產(chǎn)；問(wèn)題問(wèn)題：硅基底材料的立體加工工藝、元件的可靠性以及元：硅基底材料的立體加工工藝、元件的可靠性以及元件與敏感材料之間的兼容性等。件與敏感材料之間的兼容