mems傳感器原理及應用

隨著硅微機械技術（ss）的快速發展，各種基于斯的組件也出現了。目前，廣泛應用的有壓力傳感器、加速傳感器、光開關等。它具有體積小、質量輕、成本低、能耗低、可靠性高等特征。此外，由于其加工技術在一定程度上對應于傳統的集成工藝，因此易于實現數字、智能化和批量生產。因此，自出版以來，它引起了人們的廣泛關注，并在汽車、醫學、導航、控制、生物化學分析和工業檢測等領域迅速應用。以下就筆者所了解的幾種基于不同原理的硅微加速度傳感器向大家做一簡單介紹。1結構的工作原理硅微電容式加速度傳感器的敏感部分通常為梳齒結構,如圖1所示,其掃描電鏡顯微照片如圖2所示。敏感元件由活動部分A、B和固定電極三部分組成。其中,活動部分由超靜定梁、質量塊以及與質量塊相連的活動電極組成。整個梳齒結構分成A和B兩部分,固定電極分成固定電極a和固定電極b。固定電極a與上半部分活動電極組成電容Ca,固定電極b與下半部分活動電極組成電容Cb。設計時,將上、下極板不同區域的電極的引線分開,實驗時,可根據需要將其短接或分開接。當有加速度ai輸入時,慣性力使活動極板產生1個偏角α,使電容器C1的電容量增加,C2的電容量減小,通過線路轉換,把電容器C1、C2的電容量轉換成電信號,經相敏放大后把輸出電壓反饋到電容靜電力矩器,電容力矩器產生的靜電力矩與慣性力矩平衡,使活動質量塊保持在原有的平衡位置,通過反饋電壓的正負和大小來度量輸入加速度的方向和大小。硅微電容式加速度計的工作原理如圖3所示。在受到加速度作用時,在慣性力-ma作用下,檢測質量塊在z方向運動。這使動極板兩側的電容Ca、Cb發生了變化。兩側電容的差值(2倍于單側的變化量)經激勵正弦波信號調制,由電容檢測器檢出。該信號經交流放大器放大、檢波和適當的校補,反饋到中間極板,由其在電容器極板間產生靜電力,此靜電力的力矩使檢測質量塊保持在零位。它與加速度作用所引入的力矩大小相等,方向相反。當系統處于平衡時,慣性力與反饋力平衡,就其大小來說,ma=Ffb。若視電容為理想平板電容,上下電容間隙相等,則靜電反饋力為:Ffb=eS(VDC+ΔV)22d2?eS(VDC?ΔV)22d2=2eSVDC?ΔVd2令∶a=k?ΔV則∶k=2ESVDCmd2Ffb=eS(VDC+ΔV)22d2-eS(VDC-ΔV)22d2=2eSVDC?ΔVd2令∶a=k?ΔV則∶k=2ESVDCmd2式中:a—慣性加速度;m—質量塊質量;d—上、下電容間隙;S—電容極板總面積;e—介電常數;VDC—直流偏壓。所以k為常數,表明加速度與反饋電壓成正比,這意味著傳感器輸出線性地反映了其感受的加速度大小。采用MEMS有關工藝制成的微加速度計,其敏感芯片的體積僅5mm見方,和成人的小指甲蓋大小差不多,比采用精密機械加工成的加速度計小1～2個數量級。由于其質量小,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下x、y、z三個方向至少可以承受數百乃至數千g以上的沖擊。2壓阻式智能傳感器半導體單晶硅材料在受到外力作用,會產生肉眼察覺不到的極微小應變,其原子結構內部的電子能級狀態發生變化,從而導致其電阻率劇烈的變化,由其材料制成的電阻也就出現極大變化,這種物理效應叫壓阻效應。它較之傳統的膜合電位計式、力平衡式、變電感式、變電容式、金屬應變片式及半導體應變片式傳感器技術上先進得多。從20世紀80年代中期以后,在美、日、歐傳感器市場上,它已是壓力傳感器中占據主流的品種,并與壓電式幾乎平分了加速度傳感器的國際市場。目前,在以大規模集成電路技術和計算機軟件技術介入為特色的智能傳感器技術中,由于它能做成單片式多功能復合敏感元件來構成智能傳感器的基礎,因而備受矚目。壓阻式傳感器由一個振動片和4個用微機械技術處理形成的褶曲部分組成,4個支架中的每一個都含有2個移植的電阻,它們互相連接形成一個惠斯登電橋,當它承受一個加速度時,這個片將上下移動,導致4個電阻值增加,其它的4個減少,這樣就形成了一個與電源電壓成比例的電壓變化。這8個電阻如果互相聯接,將會使任何偏離軸線的加速度的影響無效。硅的頂部和底部的帽與容納振動片和支架的部分相連,硅帽有幾個用途,精密的缺口蝕刻在帽上提供了空氣緩沖,消除結構的共振峰值。因為這個部分被緩沖,到幾kHz的頻率響應是呈水平趨勢,受溫度影響較小。結構中的頂帽用來在沒有加速度時檢測加速度計,實現自檢功能。當提供給硅頂帽金屬極一個電壓時,靜電力驅使振動片朝頂帽移動。這導致了一個與靈敏度和應用電壓的平方成比例的輸出電壓變化,這樣為應用一個外部電壓產生一個加速度和檢測機械和電子結構的性能提供了可能。3熱源與加速度測量硅微熱電耦式的加速度傳感器目前多應用于低成本的傳感器領域,此類加速度傳感器既可以測量動態加速度,也可以測量靜態及速度。基于熱交換原理,介質是氣體。如圖4所示,熱源處于硅片的中央,硅片懸在空穴中間。在熱源的四周均勻分布有熱電耦堆(鋁/多晶硅)。圖中的加速度傳感器上有兩路信號,一路是測量X軸加速度的,另一路是測量Y軸加速度的。在沒有加速度的情況下,熱源的溫度梯度均勻分布,對四周的熱電耦而言,溫度是一樣的,輸出的電壓也是一樣的。熱自由交換,任何方向的加速度將打破溫度分布平衡,使之分布不平衡。輸出的電壓也將隨之改變。熱電耦輸出的電壓差和加速度成正比例。4振幅式傳感器的設計諧振式傳感器的獨特優點在于,它的準數字量輸出可直接用于復雜的數字電路而免去了其它類型傳感器在信號傳遞方面的諸多不便。諧振式傳感器的敏感元件是諧振子,其固有諧振特性決定了該類型傳感器具有很高的靈敏度和分辨率,但問題也由此而來。(1)硅諧振子的材料質量和制作質量一定要得到保證。(2)要有足夠高精度的數字信號處理電路來監測輸出頻率信號的微弱變化。隨著硅材料工藝、微機械加工工藝和集成電路的飛速發展,這些問題變得容易解決,這也使得諧振式傳感器成為低成本、高性能傳感器的突出代表。出于對靈敏度的考慮,體硅加工的傳感器結構往往設計為單邊支撐的懸臂梁結構。但這種結構的缺點很明顯。它有著很大的橫向靈敏度,所以在方向性要求較高的情況下,需要選擇對稱的梁塊結構。基于已有的壓阻式體硅微加速度傳感器的研制,在支撐框架與質量塊之間同時制作支撐梁和諧振梁,這樣的設計既可以借用已有的成熟工藝,又為進一步的傳感器-檢測電路系統集成提供了工藝兼容的便利條件。利用同樣的思想就可以在其它的梁塊結構的合適位置上制作出諧振梁。例如,在4角固支結構的4邊同時制作了4條諧振梁。而且,這4條諧振梁也可以同時用作支撐作用而省去原來的支撐梁,從而增加了檢測的靈敏度。圖5示意了諧振梁的制作位置及尺寸。5從空氣間隙耦合入波硅微光波導加速度傳感器是一種較為新型的加速度傳感器,其原理結構如圖6所示,其中圖6(a)為加速度傳感器的原理圖,圖6(b)為結構示意圖。射入波導1的一束光,到達分束器BS時,分為透射和反射兩個部分,其中反射部分進入波導4,并到達光探測器2。透射部分進入波導2,波導2穿過懸臂梁的頂部,然后經過一個微小的空氣間隙耦合到波導3,當探測器1的作用時探測進入波導3的光強。加速度為零時,波導2和波導3端面正對,此時經空氣間隙耦合進入波導3的光最強。因為空氣間隙距離僅有幾個微米,可以認為從波導2出射的光完全照射在波導3的端面上,進入波導3的光強度僅同波導3界面的反射率有關。當加速度不為零,在質量塊慣性力作用下,懸臂梁將發生彎曲,此時波導2和波導3相對截面間將發生一個微小位移,位移量的大小是加速度的函數?？梢越普J為波導3截面上的光入射角不隨加速度的大小變化,