微納尺度傳感器

微納尺度傳感器

微納尺度傳感器的發(fā)展微機(jī)電系統(tǒng)

隨著微電子加工技術(shù)的不斷發(fā)展,其加工尺寸正從微米量級向納米量級推進(jìn)。微型機(jī)電系統(tǒng)就是隨微電子技術(shù)發(fā)展起來的一個產(chǎn)物。所謂微型機(jī)電系統(tǒng)是指那些大小在毫米量級以下、構(gòu)成元件尺寸在微米、納米量級的可控制、可運動的微型機(jī)電裝置。

微型機(jī)電系統(tǒng)不僅指體積微型化,而且還指可大批量重復(fù)生產(chǎn),集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理、控制、通信等功能于一體的系統(tǒng),其中的微型傳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、壓力、力、力矩、磁場、溫度、濕度、氣體成分、光、聲音等。微納傳感器的作用微型傳感器把上述的物理量轉(zhuǎn)換成電信號或其它能處理的信號,并提供給微系統(tǒng),微系統(tǒng)據(jù)此作出正確判斷,向微執(zhí)行器發(fā)出指令,完成一定的任務(wù)?？梢?微機(jī)電系統(tǒng)是一個完整的具有一定功能的系統(tǒng),其中的微型傳感器是不可缺少的重要的一部分。

80年代末,微電子加工技術(shù)與傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生了微傳感器和微執(zhí)行器,開拓了微型機(jī)電系統(tǒng)的新領(lǐng)域。

微型傳感器是目前最為成功并最具實用性的微型機(jī)電器件。隨著微電子加工技術(shù),特別是納米加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,傳感器技術(shù)正在從微型傳感器逐漸向納米傳感器發(fā)展。幾種典型的微型傳感器微型壓力傳感器微型加速度傳感器磁學(xué)量傳感器一、微型壓力傳感器

目前具有實用價值并得到較廣泛應(yīng)用的是微型力敏傳感器、微型壓力傳感器以及微型加速度傳感器。微型土壓力傳感器稱重壓力傳感器超小型壓力傳感器原理硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本。惠斯頓電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應(yīng)變片電橋的光刻版本如圖2生活中的應(yīng)用壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機(jī)共軌壓力傳感器;消費電子，如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器、洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子，如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。在軍事中的運用作為一個在海上應(yīng)用的實例,MEMS引信/保險和引爆F(xiàn)/SA裝置已成功地用于潛艇魚雷對抗武器上。陸地上的應(yīng)用包括靈活且堅固的爆破裝置、發(fā)射裝置和其他使用MEMS慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的武器平臺。MEMS輪胎壓力傳感器已經(jīng)用在美國軍隊裝甲運兵車的輪胎中。在空中應(yīng)用方面,MEMS壓力傳感器已在F-14戰(zhàn)斗機(jī)彈射座的助推火箭上進(jìn)行了測試。噴射式渦輪發(fā)動機(jī)使用的適于在惡劣環(huán)境下工作的材料,被用于各種監(jiān)視該類發(fā)動機(jī)內(nèi)部動力學(xué)特性的傳感器上。二、微型加速度傳感器加速度傳感器是一種慣性傳感器，一般由敏感元件、交換元件、測量電路三部分組成，可用如下框圖表示：微型加速度傳感器根據(jù)傳感器敏感元件和轉(zhuǎn)換原件的不同，加速度傳感器可以分為電容式、壓電式、光纖式、壓阻式等類型。電容式加速度傳感器

電容式加速度傳感器可以將振動位移參量的變化轉(zhuǎn)變成為電容量的變化，其基本敏感機(jī)理比較簡單。簡單原理上下極板為固定電容極板具有公共電極，中間質(zhì)量塊為可動電容極板。當(dāng)有外界振動時可動極板跟隨振動，從而改變電容。采用MEMS有關(guān)工藝制成的微加速度計，其敏感芯片的體積僅和成人的小指甲蓋大小差不多，比采用精密機(jī)械加工成的加速度計小12個數(shù)量級。由于其質(zhì)量小，因此能承受高沖擊，實驗測試這種原理的微加速度計在不加電狀態(tài)下X、Y、Z三個方向至少可以承受數(shù)百乃至數(shù)千g以上的沖擊。微型加速度傳感器

微型壓電式加速度傳感器微型加速度傳感器的應(yīng)用加速度傳感器可應(yīng)用在控制，手柄振動和搖晃，儀器儀表，汽車制動啟動檢測，地震檢測，報警系統(tǒng)，玩具，結(jié)構(gòu)物、環(huán)境監(jiān)視，工程測振、地質(zhì)勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析；鼠標(biāo)，高層建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。三、磁學(xué)量傳感器磁學(xué)量傳感器所用最多的就是人們常說的霍爾式磁學(xué)量傳感器。原理霍爾式傳感器的原理就是霍爾效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場（磁場方向垂直與薄片）中，如圖所示，當(dāng)有電流I通過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢U,這種物理現(xiàn)象成為霍爾效應(yīng)。該電勢U稱霍爾電勢。

霍爾傳感器

霍爾傳感器應(yīng)用歸納起來，霍爾傳感器有三個方面的用途：①當(dāng)控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中，則傳感器的霍爾電勢正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，利用這一關(guān)系可反映位置、角度或勵磁電流的變化。②當(dāng)控制電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度皆為變量時，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。在這方面的應(yīng)用有乘法器、功率計以及除法、倒數(shù)、開方等運算器，此外，也可用于混頻、調(diào)制、解調(diào)等環(huán)節(jié)中，但由于霍爾元件變換頻率低，溫度影響較顯著等缺點，在這方面的應(yīng)用受到一定的限制，這有待于元件的材料、工藝等方面的改進(jìn)或電路上的補償措施。③若保持磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以組成回轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。

納米傳感器氣敏傳感器

濕敏傳感器壓敏傳感器氣敏傳感器氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器。氣敏傳感器它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強(qiáng)弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機(jī)組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。原理聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化值。甲醛氣敏傳感器酒精氣敏傳感器應(yīng)用氣敏傳感器的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂勠11、R12蘺檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。濕度傳感器濕度傳感器是指能感受氣體中水蒸氣含量，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。原理濕度傳感器的工作原理是由半導(dǎo)體納米材料制成的陶瓷電阻是由濕度的變化關(guān)系決定的。納米固體具有明顯的濕敏特性。納米固體具有巨大的表面和界面，對外界環(huán)境濕氣十分敏感。環(huán)境濕度迅速引起其表面或界面離子價態(tài)和電子運輸?shù)淖兓?/p>

濕敏傳感器壓敏傳感器在壓敏傳感器中研究和應(yīng)用日漸活躍的是氧化鋅系納米傳感器，由于其具有均勻的晶粒尺寸，它不但適用于低電壓器件，而且更適用于高電壓電力站，它能量吸收容量高，在大電流時非線性好，響應(yīng)時間短，電學(xué)性能極好，且壽命長。原理納米氧化鋅壓敏傳感器高度的非線性電壓－電流關(guān)系，主要由絕緣晶界層決定。兩個ZnO分解，形成填隙Zn原子，同時產(chǎn)生氧空位V0，如下式所示：ZnO→Zn+V0+1/2O2Zn及V0經(jīng)一次和二次電離，就形成以e－為載流子的N型半導(dǎo)體了?？偸鰝鞲衅髟诮?jīng)濟(jì)、科技和軍事領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù),它們分別構(gòu)成了信息系統(tǒng)的感官、神經(jīng)和大腦。所以說傳感器是信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ),是信息