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微型传感器是一种物理缩放的简单产品

时间:2022-01-07 点击次数:

相对于传统传感器,微型传感器有很多新的特点,能弥补传统传感器的不足,其应用前景十分广阔。本文详细先容了一些微传感器的结构和工作原理,并说明了其基本特点和发展趋势。

小型传感器特性。

传感元件的制造工艺与半导体IC工艺不相容,无论其性能、尺寸或成本如何,都不能适应IC技术所生产的高速、高密度、小体积、低成本的信号处理器件,这限制了整个系统的集成、量化和性能的充分发挥。

与传统的传感器相比,微型传感器是一种物理缩放的简单产品,它采用MEMS工艺制造的新一代传感器。它具有小尺寸、集成等特点,可极大地改善传感器性能,与标准半导体工艺兼容的材料,能够极大地改善传感器。放大信号传输,减少干扰,降低噪声,提高信噪比;采用综合反馈线和补偿线,改善输出的线性和频率特性,减少误差,提高灵敏度。

数组传感器可以集成到芯片、放大电路和补偿电路中。同一块芯片能集成多个同感器件,兼容性好,易于集成和封装微电子设备。

加工制造过程中,采用成熟的硅微半导体工艺,可以批量生产,成本非常低。

通常是微型传感器。

微机式加速传感器

传感器是首批成功地利用MEMS技术研制和应用的微型传感器之一。目前微型加速度传感器主要采用压阻、电容、力平衡、谐振等方式进行工作,微机械热对流加速度传感器应运而生。

详细先容了其工作原理及结构特点;在悬臂端部设有扩散加热电阻,加热电阻通电后所产生的热全部沿着横梁及上下散热板传递。上、下散热板的传热速率取决于加热电阻和散热板的距离,以及热板与悬臂梁之间的相对位置,决定了其沿温度分布的曲线。采用P型硅/铝热电偶测量悬臂梁上分布的P-硅/铝热电偶,实现了加速度的测量。

它具有很高的热电偶灵敏度,可以直接输出电压信号,省去了复杂的信号处理电路,对电磁干扰不敏感。悬臂与散热板之间的距离为140μm、200μm、梁长100μm、梁宽4μm、梁厚10μm时,传感器的灵敏度为1mV/g,梁长为100μm。微机械热对流加速度传感器在不存在大质量块的情况下,具有很强的抗冲击能力,但频率响应范围较小。

微型机角速度传感器。

需用陀螺测量旋转角速度和角度。以MEMS技术为基础的微型机械陀螺仪可以广泛应用于汽车拖动控制系统、医疗设备、军用设备。微型机械式陀螺仪具有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构等,其工作原理是基于哥氏效应。

共振式微机械陀螺的结构是由固定在基座上的静态驱动单元(包括内齿架和外架)以及两个双端音叉谐振器(DETF)组成。该质量块由四根支承梁固定在基础上。如果增加静态驱动器的驱动电压(角频率为ωp),则将质量块的内动齿架沿y轴方向摆动。若外部绕z轴的旋转(输入信号Ω)作用于晶片,则该质量块沿x轴产生哥氏力,并通过内支撑梁传递到外架上。外框由两对支撑梁固定,并可沿x轴移动。由两对杆放大并传送至外框架两侧的两个双音叉谐振器(DETF)。DETF输出信号频率的变化反映了输入角速率的变化。

微机电陀螺的平面外轮廓结构参数为1mm2,厚度仅2μm。现有的振动轮式硅微机械陀螺,直径1毫米,厚19微米,宽5微米,电极间距7微米。

微电场传感器

电磁场感应器是以导体产生感应电荷为基础。该传感器包括振动和感应两部分。振动部的核心是振动片,它由氮化硅(Si3N4)薄膜制成,能垂直振动。电感电极、屏蔽电极、激振电极是由在振动膜上生长的金属电极和感应器构成。屏蔽器用多孔阵列接地。该传感器工作时,激发电极通过交流电压源与两电极间的库仑力连接,使振动膜垂直振动。调节交流电压频率,使薄膜接近谐振点,达到预定的幅度。在这个时候,感应电极接收周期性屏蔽电极的电场,产生感应电流,并与外部检测电路相连。微磁场传感器弥补了一般电场传感器体积大、能量消耗大的不足,可用于各种环境中低频、静电场的测量,具有良好的应用前景。

微型传感器的发展方向:

智能小型传感器。

该系统具有自诊断、标定、自补偿等功能,实现信息的存储与存储,多传感器多参数混合测量,实时处理信号数据,实现数字输出。

智能型微传感器可以从根本上改变传统传感器的单一功能,将物理信号检测、分析和数字处理结合起来。该方法不但极大地改善了传感器系统的性能,而且简化了传感器系统设计,大大降低了成本。

目前,在微传感器实现初步智能化的基础上,人们正运用模糊理论和神经网络等技术来实现更高层次的微传感器智能化——分布式网络。

多种用途的微型传感器

微传感器技术是传感器技术的一个新发展方向,借助于敏感元件中不同的物理结构和物质,以及它们的不同表现形式,同时实现多个传感器的功能。

可实现多种物理量的微传感器检测。比如,为实现对多种信号进行检测,设计了一种微型数字三端口传感器,包括热敏元件、光敏元件和磁敏元件。感应器既能输出模拟信号,又能输出频率、数字信号。

多用微传感器能全面、准确地反映各个应用领域的客体。它的研究重点是各种仿生传感器,如触觉感知、嗅觉感知以及像PVDF材料的视听识别。不接触皮肤敏感系统和橡胶触觉传感器;电子鼻由交叉选择性气体传感器显示和模式识别系统组成。能辨别简单及复杂气味。

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