mems傳感器研究現(xiàn)狀
微機(jī)械壓力傳感器是最早開始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測方式來看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。壓阻式壓力傳感器的精度可達(dá)0.05%～0.01%，年穩(wěn)定性達(dá)0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%，耐壓可達(dá)幾百兆帕，過壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上，并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償?，F(xiàn)階段微機(jī)械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。
?。?）將敏感元件與信號(hào)處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器等進(jìn)行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。
?。?）進(jìn)一步提高壓力傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)低量程的微壓傳感器。
?。?）提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。
（4）開發(fā)諧振式壓力傳感器。
2、微加速度傳感器
硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場的微機(jī)械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報(bào)道的AGXL50型?！ 鴥?nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵(lì)、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個(gè)諧振梁用于信號(hào)檢測。
3、微機(jī)械陀螺
角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。實(shí)際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機(jī)的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運(yùn)動(dòng)機(jī)械、計(jì)算機(jī)慣性鼠標(biāo)、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。常見的微機(jī)械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)、振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)等。但是，實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需的0.1°/h相差尚遠(yuǎn)。
4、微流量傳感器 微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達(dá)到很低的測量量級(jí)，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測量和控制。目前國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導(dǎo)式和熱飛行時(shí)間式）、機(jī)械式和諧振式3種。清華大學(xué)精密儀器系設(shè)計(jì)的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應(yīng)力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號(hào)。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線性度優(yōu)于5%。
5、微氣體傳感器
根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，因而要同時(shí)制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮。
諧振式氣敏傳感器不需要對器件進(jìn)行加熱，且輸出信號(hào)為頻率量，是硅微氣敏傳感器發(fā)展的重要方向之一。北京大學(xué)微電子所提出的1種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，由硅梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。硅梁被置于被測氣體中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質(zhì)量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO2氣體濃度的檢測實(shí)驗(yàn)表明，在0×10～1×10的范圍內(nèi)有較好的線性，濃度檢測極限達(dá)到1×10，當(dāng)工作頻率是19kHz時(shí)，靈敏度是1.3Hz/10。德國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到－0.099Hz/10的靈敏度。
6、微機(jī)械溫度傳感器
微機(jī)械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，其固有熱容量僅為10J/K～10J/K，使其在溫度測量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢。我所開發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器。基于硅和二氧化硅兩種材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重復(fù)性誤差為1.63%，精度為1.9%。
7、其他微機(jī)械傳感器
利用微機(jī)械加工技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學(xué)的PeterE等人設(shè)計(jì)的諧振式流體密度傳感器，浙江大學(xué)研制的力平衡微機(jī)械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機(jī)械力敏傳感器等。
Mems傳感器的制作工藝
MEMS技術(shù)基于已經(jīng)是相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。它與傳統(tǒng)的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光工藝等，但是有些復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)難以用IC工藝實(shí)現(xiàn)，必須采用微加工技術(shù)制造。微加工技術(shù)包括硅的體微加工技術(shù)、表面微加工技術(shù)和特殊微加工技術(shù)。體加工技術(shù)是指沿著硅襯底的厚度方向?qū)枰r底進(jìn)行刻蝕的工藝，包括濕法刻蝕和干法刻蝕，是實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的重要方法。表面微加工是采用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結(jié)構(gòu)層薄膜，然后去除犧牲層釋放結(jié)構(gòu)層實(shí)現(xiàn)可動(dòng)結(jié)構(gòu)。除了上述兩種微加工技術(shù)以外，MEMS制造還廣泛地使用多種特殊加工方法，其中常見的方法包括鍵合、LIGA、電鍍、軟光刻、微模鑄、微立體光刻與微電火花加工等。