mems傳感器現狀_mems傳感器製作工藝

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mems傳感器現狀_mems傳感器製作工藝

網絡整理 發表於 2019-12-25 10:03:09

　　mems傳感器研究現狀

　　1、微機械壓力傳感器

　　微機械壓力傳感器是最早開始研製的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎製造。從敏感膜結構來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%～0.01%，年穩定性達0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%，耐壓可達幾百兆帕，過壓保護範圍可達傳感器量程的20倍以上，並能進行大範圍下的全溫補償。現階段微機械壓力傳感器的主要發展方向有以下幾個方面。

　　（1）將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研製智能化的壓力傳感器。

　　（2）進一步提高壓力傳感器的靈敏度，實現低量程的微壓傳感器。

　　（3）提高工作溫度，研製高低溫壓力傳感器。

　　（4）開發諧振式壓力傳感器。

　　2、微加速度傳感器

　　矽微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之後第二個進入市場的微機械傳感器。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，其典型產品是Kuehnel等人在1994年報導的AGXL50型。　　國內在微加速度傳感器的研製方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學研製的壓阻式微加速度傳感器和清華大學微電子所開發的諧振式微加速度傳感器。後者採用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結構為高度對稱的4角支撐質量塊形式，在質量塊4邊與支撐框架之間製作了4個諧振梁用於信號檢測。

　　3、微機械陀螺

　　角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統的陀螺儀是利用高速轉動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結構複雜，使用壽命短，成本高，一般僅用於導航方面，而難以在一般的運動控制系統中應用。實際上，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、攝象機的穩定系統、醫用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性滑鼠、軍事等領域有廣泛的應用前景。常見的微機械角速度傳感器有雙平衡環結構，懸臂梁結構、音叉結構、振動環結構等。但是，實現的微機械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導航系統所需的0.1°/h相差尚遠。

　　4、微流量傳感器　　微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區容量小，響應時間短，適合於微流體的精密測量和控制。目前國內外研究的微流量傳感器依據工作原理可分為熱式（包括熱傳導式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉換為梁表面彎曲應力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號。該傳感器的晶片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線性度優於5%。

　　5、微氣體傳感器

　　根據製作材料的不同，微氣敏傳感器分為矽基氣敏傳感器和矽微氣敏傳感器。其中前者以矽為襯底，敏感層為非矽材料，是當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，因而要同時製作加熱元件和溫度探測元件，以監測和控制溫度。MEMS技術很容易將氣敏元件和溫度探測元件製作在一起，保證氣體傳感器優良性能的發揮。

　　諧振式氣敏傳感器不需要對器件進行加熱，且輸出信號為頻率量，是矽微氣敏傳感器發展的重要方向之一。北京大學微電子所提出的1種微結構氣體傳感器，由矽梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。矽梁被置於被測氣體中後，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量矽梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO2氣體濃度的檢測實驗表明，在0×10～1×10的範圍內有較好的線性，濃度檢測極限達到1×10，當工作頻率是19kHz時，靈敏度是1.3Hz/10。德國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面塗敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到－0.099Hz/10的靈敏度。

　　6、微機械溫度傳感器

　　微機械傳感器與傳統的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點，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溫度傳感器不可比擬的優勢。我所開發了1種矽/二氧化矽雙層微懸臂梁溫度傳感器。基於矽和二氧化矽兩種材料熱膨脹係數的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位於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%，重複性誤差為1.63%，精度為1.9%。

　　7、其他微機械傳感器

　　利用微機械加工技術還可以實現其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度傳感器，浙江大學研製的力平衡微機械真空傳感器，中科院合肥智能所研製的振梁式微機械力敏傳感器等。

　　Mems傳感器的製作工藝

　　MEMS技術基於已經是相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。它與傳統的IC工藝有許多相似之處，如光刻、薄膜沉積、摻雜、刻蝕、化學機械拋光工藝等，但是有些複雜的微結構難以用IC工藝實現，必須採用微加工技術製造。微加工技術包括矽的體微加工技術、表面微加工技術和特殊微加工技術。體加工技術是指沿著矽襯底的厚度方向對矽襯底進行刻蝕的工藝，包括溼法刻蝕和幹法刻蝕，是實現三維結構的重要方法。表面微加工是採用薄膜沉積、光刻以及刻蝕工藝，通過在犧牲層薄膜上沉積結構層薄膜，然後去除犧牲層釋放結構層實現可動結構。除了上述兩種微加工技術以外，MEMS製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。

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