《现代传感技术与系统》课件 第四章（1）

第四章 智能传感器的外围技术 4.1 微机电系统结构与元器件 4.2 智能传感器的通信 4.3 智能传感器的标准 第四章1 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.1 引言 4.1.2 面向微机电系统的微结构 4.1.3 微机电系统的常用元器件 4.1.4 其他微机械结构 4.1.5 微执行器的应用 第四章2 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.1 引言 微小型化革命: 微米纳纳米技术应术应 运而生 利用物理化学方法将原子和分子组组装起来，形成具有一定功 能的微米纳纳米结结构；(导导致了纳纳米生物学、纳纳米化学等边边 缘缘 学科的产产生) 利用精细细加工手段加工出微米纳纳米级结级结 构(导导致了微机电电 系 统的诞生) 第四章3 4.1 微机电系统结构与元器件 MEMS系统统是微电电子技术术的拓宽宽和延伸 微电电子技术术与精密机械加工技术术的融合 实现实现 了微电电子与机械融为为一体的功能。 使半导体传感器应用于大型的机械控制 大大提高了整个系统的性能: 降低机电电系统统成本,完成许许多 大尺寸机电电系统统无法完成的任务务 例: 尖端直径为为5m的微型镊镊子可夹夹起一个红细红细 胞；3mm大小 的 能够够开动动的小汽车车；可在磁场场中飞飞行的象蝴蝶大小的飞飞机等 。 第四章4 4.1 微机电系统结构与元器件 MEMS技术的目标：通过系统的微型化、集成化来探索具有新 原理、新功能的元件和系统 将电电子系统统和外部世界有机地联联系起来：感受运动动、光、 声、 热热、磁等自然界信号；将这这些信号转换转换 成电电子系统统可以认识认识 的电电信号；通过电过电 子系统统控制这这些信号、发发出指令、控制执执 行部件完成所需操作 具有许多传统传感器无法比拟的优点 在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎 人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 第四章5 4.1 微机电系统结构与元器件 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信 号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型 机电系统。 主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分： 传感器把能量从一种形式转化为另一种形式，将现实世界的 信号（如热、运动等信号）转化为系统可以处理的信号（如电 信号） 执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作 信号处理器对信号进行转换、放大和计算等处理 第四章6 4.1 微机电系统结构与元器件 事实实上，前面第二章第三节节中讨论过讨论过 的微机械加工技术术 就是从属于MEMS的核心技术术，然而，就MEMS整体而言，却有着 更加丰富的内涵。从整体来看，它总总是直接或间间接地与智能传传 感器保持密切的关系，因此，除微机械加工技术术之外，本节节又 选择该领选择该领 域中一些其它相关内容作为为智能传传感器的外围围技术术 来讨论讨论 ，主要有： 面向MEMS的微结结构 微机电电系统统的常用元器件 微执执行器的应应用 等 第四章7 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.2 面向微机电系统的微结构 MEMS与传统机加工小型化机器的差异对比： 总体预装配形式与一个一个部件相接的装配形式； 很多元素的高密度集成与离散元件之组成； 以统一的集成形式实现与电子学的结合与采用导线的连接形 式；2.5维的空间形式与三维结构（可装配成不同的形状与 其功能紧密相连等）之差异 等 第四章8 4.1 微机电系统结构与元器件 MEMS受限于典型的IC基的构造方法，只能允许我们制作平 面结构的微电机、层叠式结构的多晶硅薄膜或深层防护下的二 维掩膜模式的投影图像。因而很难仅通过改变机器的结构来实 现各种不同的功能。然而，可以通过预装配、批量生产以及将 电子线路与传感器尽可能地集成在一起、且通过逻辑电路和内 部软件而同时实现各种功能。 有很多基于IC-基的MEMS的复杂模式，那些集传感器、执 行器和电子电路于一体的很多微模式的制作与单一模式的工艺 制作过程相比，所需付出是完全一样的。 第四章9 4.1 微机电系统结构与元器件 主要问题之一：微电机转动中的滑动表面摩擦。 在MEMS涉及的微观领域中，摩擦力遵循一个不合常规的定 律：当特征维数L减少时，摩擦力与L2成比例，而惯性力与L3成 比例，摩擦力的支配能力超过惯性力而阻止那些持续运动的微 齿轮或微转子平滑地转动。 目前针对微观领域的摩擦学研究，科研人员提出的几种建议： 在运动件和固定件之间采用滚动接触而不是滑动接触； 运动部件采用弹性支承； 运动部件悬浮于空气中（以空气作为润滑剂）等。 第四章10 4.1 微机电系统结构与元器件 为克服微机电系统上述局限的措施: 由许多智能微模块组件组成的一个面向MEMS的结构体，这 些模块有微执行器、传感器以及集成在其内部的电子电路等。 图4.1.1为这种系统的一 个典型方案，它可以用所 谓纤毛运动系统及其执行 器的有关应用加以解释。 这是一种源于多种动物器 官、昆虫和显微镜下的微 生物机制的创新思想。 第四章11 4.1 微机电系统结构与元器件 纤毛运动是指一种叫纤毛虫的微生物的运动方式，这种微 生物在其细胞表面长有许多像毛发状的突出物，它们通过协调 性地摆动纤毛来实现其行进。这种纤毛虫的行进方式可以用在 一个传送物体的装置之中。 纤毛运动系统的模块组件包括一个执行器（如悬臂型的执 行器）和一个振荡器。如果提供充分的相互联接，外部信号也 能达到同步。当振荡的频率相同而在邻近振荡器之间统一地维 持着固定的相位差，则每个执行器可以协调地运行。伸出的臂 传播一个波，象球体滚动那样传送物体。实施传送任务时，所 需要的逻辑电路就如同移位寄存器那样简单。 第四章12 4.1 微机电系统结构与元器件 系统是一维系统，由完全类似的模式组成。这些组件很容 易以微执行器的模式实现。 执行器结构:由夹在具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺间的 金属加热器组成。 加热器电流接通或断开时，执行器上下运动(悬臂500m长 ， 110m宽)。 当40mA电流流经加热器时，在垂直方向上产生130m、在水 平方向上产生60m的移动量。 对正弦电流（幅值低于3dB），截止频率8Hz。 第四章13 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.3 微机电系统的常用元器件 用硅和其它的半导体材料构成的微机电系统元器 件涉及到静电学、电热学、热动力学、电磁学、电渗 透、电液动力学、模型存储合金、热敏感器件、聚合 物等多方面的应用。本节将讨论微型泵、微引擎、微 控制阀、微动力测试仪和微电机，还有其它材料的微 执行元器件。 第四章14 4.1 微机电系统结构与元器件 1.微型泵 图4.1.2为小型蠕动泵的侧剖视图，它是由三个硅晶片结 合在一起构成的。三个硅晶片键合在一起生产流体通道、薄膜 和加热器。硅 融解键合用于 连接包含这些 元器件的晶片。 第四章15 4.1 微机电系统结构与元器件 加热器悬浮于热气动流体中，随之从左至右被启 动。流体通道通过刻蚀技术制造，非常紧密地与硅氮 化物薄膜凸出的轮廓相匹配。加热流体使薄膜表层发 生偏移并驱动液体。偏移的薄膜封堵了通道以阻止回 流。微型泵的性能在15psi下已经能精确到每分钟7微 升。驱动量精确的矢量泵已在医疗上应用于胰岛素自 动补充以及精确的制造业过程控制以减少原材料的损 耗。 第四章16 4.1 微机电系统结构与元器件 2. 微蒸汽机 世界上最小的蒸汽 机是以表面微机械加工工 艺制作的。右图是这种单 缸蒸汽机在显微镜下的图 象，在蒸汽机中，压力汽缸内的水被电流加热、蒸发，然后把 活塞弹出。当电流消失后，表面张力又使活塞缩回。 第四章17 4.1 微机电系统结构与元器件 3. 微控制阀 微控制阀是MEMS元器件中目 前为数不多的已经正式投产的产 品之一。右图是其结构示意。一 个硅流体驱动微阀门的规格大约 是5.5mm 6.5mm 2mm。顶端的 体型微加工空腔内充满了控制液体。在未被激活的状态，气体通过 阀门流动。将电压施加于隔膜上的加热元件，将引起液体的充分膨 胀而使隔膜偏移靠近阀座而阻断气流。阀门的动态范围从100,000到 1，在20 psi的压力下，控制气流从每分钟4微升到每分钟4升。 第四章18 4.1 微机电系统结构与元器件 4. 微动力测试仪 微动力测试仪的研究目前已获 得了满意的功能平面设计。这种微 动力测试仪包括一个微电机、偶合 齿轮链、担当有源负载的发电机以 及相关的电子元器件。以带有附加 牺牲层的LIGA处理技术用于制造微 动力测试仪的机械部件。需要为电动机和发电机选配激磁绕组，双极成对 电动机每个电极上有三个绕组，发电机则有六个绕组，利用电镀镍方法制 造，如图所示。集成了光电二极管决定电动机和发电机转子的位置。目前 尚需解决磁性材料问题。 第四章19 4.1 微机电系统结构与元器件 采用表层微加工技术制造 的微传送装置能提高动力。一 个成功的实验是将六个完全相 同的传送系统连接在一起，每 个具有12：1的减速比以获取 整体的功率增长。该水平下获 得的机械动力能满足带动一个一磅物体的需要。齿轮是可逆的 ，可实现加速和减速操作。 第四章20 4.1 微机电系统结构与元器件 5. 微电机 微电机是MEMS元器件中最具潜力的产品之一。一个静电发 动机的例子见图4.1.4。典型的转子直径大约0.1mm。定子的运 动依靠静电力产生的脉冲。 解决电动机和负载之间的偶合以及摩擦问题是使电机投入 实用的最关键问题。在各种技术选择中，采用配有超级性能微 处理器的冷却风扇是人们寄予厚望的方式。摩擦学是关于耗损 及其应用范围的研究，基于对这些机器的大量的调查研究，在 维持MEMS技术允许的特有容量的前提下，它们不再可能使用传 统的润滑方式。 第四章21 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章22 4.1 微机电系统结构与元器件 磁致微电机的线圈缠绕需要一个较厚的致动器交叉部 分。一种方法是采用聚酰亚胺基处理使微型结构装配在标 准CMOS过程的顶端。发动机的核心是多层镍-铁电镀绕线 缠绕的弯曲的导体。导体和线圈的弯曲结构是以导体和磁 芯正常方位的逆向更替来实现的。磁芯是沿环形导体缠绕 而成，导体或为交错或为相连方式的多层次金属层。聚酰 亚胺被用作嵌于线圈和磁芯之间的内绝缘层。图4.1.5是 这种电机的多层卷绕线圈的结构。由于驱动控制器的限制 ，转子运行的最高速度为500r/m。 第四章23 4.1 微机电系统结构与元器件 表面微加工技术已用于制造嵌入 式微型步进电机。这种电机外环具有 内齿，被每个末端的互换的梭子相互 嵌入，如图所示。外环在其外层也有 齿轮，这意味着它能和其他机器互动。 既有旋转形式的步进电机，也可以实现线性步进形式。可用于 实现那些要求精确的、可重复定位的微机械元件设计。 第四章24 4.1 微机电系统结构与元器件 6. 其它半导体材料的微执行器 目前，采用薄膜和金属镀膜、绝缘材料、在砷化 镓和磷化铟基底上附之光阻材料牺牲层工艺制作执行 器已完成了设计。用砷化镓和磷化铟材料制作微机械 集成装置要求通过片上执行器实现潜在的调整从而获 得性能与产量的改善。互相交叉滑动的电容调节器、 弯曲杠杆，旋转开关已经应用于微机械集成兼容过程 并作为最终实现微集成控制目标迈出的第一步。 第四章25 4.1 微机电系统结构与元器件 关于延展型炭化硅膜和喷溅型非晶体炭化硅薄膜的研 究已经在高温EMS器件的应用中开辟了新的途径。利用体 型微机械加工技术，悬挂式隔膜和无支撑悬臂结构被蚀刻 于延展硅膜上，由于在薄膜上残余的张力变化，悬臂樑产 生向下的偏移。表面微机械加工技术也用于非晶体炭化硅 。一个150微米直径、1.5微米厚的齿轮是从非晶体炭化硅 喷溅于二氧化硅上构成的，以这些材料实现了MEMS器件的 设计，但是从实验室到产品化过程还需要经历一段艰苦的 发展过程。 第四章26 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.4 其他微机械结构 除了上述各执行元器件以外，MEMS结构还将被用 于期望小尺寸或再生产性的系统元件制造，也可以通 过微机械加工工艺来实现。多重金属微齿轮可通过气 动或相对微弱的磁场力来驱动。 下面讨论的一些有关例子，展示了基于MEMS装置 的各种研究和发展的动态。 第四章27 4.1 微机电系统结构与元器件 1、 冷却通道 在高性能集成电路底部的由平行微通道创建的微热管 道能为最大限度地减少过热点提供冷却功能，改善性能，增加 可靠性。图4.1.6是一个可行方案。当通道被蚀刻后，复合金 属层真空沉积于通道边线上且将顶部密封。加热芯片位于一个 流动浴槽中，填充大约占20%容积的流体，然后将顶端密封以 保持流体不外溢。微热管的操作引起流体在高温区域蒸发，在 低温区域冷凝，导致穿过集成电路的更加一致性的温度分布。 对于更高性能的MPU和MCU，要增加到更高的操作频率，而这种 形式的冷却可能要求避免封装尺寸和外部散热量的增加。 第四章28 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章29 4.1 微机电系统结构与元器件 一项美国的专利是用微机加工或激光切除技术在硅或碳化 硅结构上形成微通道，通过强制对流或尽可能靠近热源的流动 冷却剂实现微通道热量转移。微通道取得了最大的散热表面积 并为高密度的半导体装置提供了改进的热传输效率，且不会增 加温度接点或减小可靠性。 正在进行当中的关于微尺寸通道中气流的研究：MEMS与其周 边环境的能量及动量交换，对系统的响应特性起决定作用； 关于气体媒介和微装置、微通道间的动量交换的研究：有一 定进展，最典型的是关于氮流动的试验。 第四章30 4.1 微机电系统结构与元器件 2、微光学装置 利用微机加工技术生产的大量微光学装置：光栅、透镜、电气 互联、光纤联结、校正装置、隐角反射和波导器等。 除硅以外的-半导体材料用于改善光学性能； 使用氩、氙离子束和氯作为反应气体的化学辅助离子束蚀刻处 理被用于制造激光表面发射器。（3微米直径的激光器可在室温 下工作，具有1.5mA以下的电流限制和16%的差分量子效率） 力学、光学和电子学在微观尺度上的结合将成为光学微系统中 的一个重要领域。 第四章31 4.1 微机电系统结构与元器件 一个微机械加工与光学结合的实例：多硅微扫描仪。 由一个安装在静电驱动微电机转子上的中空镀镍多边形反射器 、一个基于光学和MEMS元件的微光学机械系统在晶片水平上 集成而成，如下页图。微扫描仪和可移动光学元件采用非电子 镀层技术实现设计和装配。镍的厚度是210-8米，宽度是10-5米 。已生产的扫描仪直径从250到1,000微米不等。还有2-4微米空 间栅格的衍射光栅微扫描仪，亦采用类似过程制造。 微光学机械系统装置的关键是在通用基座上构筑不同光学 和机械结构的能力。 第四章32 4.1 微机电系统结构与元器件 利用光来提供机械能量的 执行器是又一种应用方案。与 非光学方案相比，光学执行器 具有更高运行速度、更低功耗 和更小热膨胀的潜在优点。光电流作用于一个松弛的 硅悬臂，对抗外加静电电压，从而拉紧了杠杆。 第四章33 4.1 微机电系统结构与元器件 3、微夹具 目前的微夹具多采用多原 硅表面微加工技术制作，由电 刷驱动器激励。 电刷驱动器为几种微执行 器以及用于诸多传感器的振荡 结构提供动力。两支可移动的 夹臂通过电刷控制，如上图所示。其驱动臂长400m，伸展臂 长100 m。通过独立的开启与闭合驱动，施加30V以下的电 压于电刷驱动时，夹具产生5m的移动。 第四章34 4.1 微机电系统结构与元器件 4、微探针 用一个悬臂樑接触并扫描穿过样本表面可测取表面形状，这就是原子 显微镜的原理。该仪器要求有尖头的、小弹性常数和高谐振频率的机械结 构。而这类悬臂产品具有很好的可再生性特点，压电特性、电容变化和压 阻感应技术都可用于感知探针顶尖的偏移。下页图分别为其结构与图像。 一个实际探针结构的例子：探针总长175m，尖端部分75m，探针 宽度90m，该结构计算的弹性常量4N/m。 原子显微镜探针可用来测量深度为270、以6.5m为间隔的二氧化硅 栅格。该类装置在剖面和集成电路的检验探测中是非常有用的。 第四章35 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章36 4.1 微机电系统结构与元器件 5、微镜面 数字型微镜面作为显示装置，如 图所示。微镜面元是两个薄的柱支撑 铰链悬挂的铝制镜面，这种适应性铰 链可在任意方向旋转10度。支柱为偏 置/置位总线提供连接，总线将所有排 列镜面连接到一个键合板。镜片被装配到通用的CMOS SRAM单元上，这 些单元为每个镜面提供了寻址电路。镜面的响应时间大约为10ms并可通过 脉宽调制在黑白显示器上提供灰度输出。现已有768乘576像素的单片集成 电路阵列产品问世。 第四章37 4.1 微机电系统结构与元器件 6、加热元件 多点热转换器是标准CMOS处理方式和体型微机械加 工技术结合的产物。经CMOS处理后，一个空腔经体型微 加工蚀刻，产生悬挂式多点热转换器悬臂结构。聚合硅阻 性加热元和铝-聚合硅热偶接点在玻璃中形成小球状。玻 璃保护了那些元件免受蚀刻并提供了机械支撑。多点热转 换器在低成本、高精度RF和微波功率电路中很有应用潜 能，下页图为其放大后的图像。 第四章38 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章39 4.1 微机电系统结构与元器件 7、热离子发射器 喷溅式钨热离子发射器结构：SiO2绝缘层将喷溅钨与硅基底隔离。钨 通过湿蚀刻成型，硅在细丝电极下进行湿蚀刻以避免接触。丝极在510-7的 真空度下进行试验，一旦丝极开始发射，会从裸眼可见红色转变为白光。 大约10nA发射电流下，运行寿命约一小时。 热离子发射器用作小型扫描式电子显微镜SEM的第一段，这种SEM体 积小于2cm3，由五小块硅堆砌构成。 热离子近期的发展：利用半导体加工过程的热离子装置现在已能产生 气态微器件，未来这些器件如果能作为固态装置，则其批量生产将大大提 高他们的使用价值。 第四章40 4.1 微机电系统结构与元器件 8、场发射显示 场发射显示FED由发射微尖端的一个阵列组成。通常是在 掩膜硅晶片内通过蚀刻空腔构成微尖端。钼尖是真空沉积在空 腔中的。为每个像素装配几百个发射尖端，在没有可辨析光线 损失的情况下，即使有数十个尖端失效也仍能正常使用。 生产微尖端的另一方法：利用多晶硅基片的选择性蚀刻。 利用硅的晶体结构自动产生尖锐的硅尖。出于其过程的自排列 本质，这种方式的不断发展很可能会最终完全取代印刷电路制 版方式。 第四章41 4.1 微机电系统结构与元器件 9、 可伸展微元件 有弹性连接点的微结构已 经用于从表面微加工结构的一 个平面制作可移动的三维结构，如图所示。微机器人是这 种装置的一种可能产品。聚合物为硅聚合板或骨架结构提 供了柔性连接点。PSG作为牺牲层材料蚀刻得到相对基座 的释放结构。释放结构像纸一样可准确地在铰链处折叠， 并创造出微立方体和昆虫状的三维结构。 第四章42 4.1 微机电系统结构与元器件 该结构实现的一个扫描式电 子显微镜SEM可作为机器人窃听 器的示例见右图。其结构是利用 多功能MEMS处理实现的。该窃 听器包括一个执行器、电子器件、 传感器、IR二极管和一个太阳能电池。微机器人由一个 1cm0.5cm 0.5mm的硅片制作。 第四章43 4.1 微机电系统结构与元器件 用于折页结构的表面微加工MEMS铰链设计：利用两个聚硅结构层 形成双铰链和可移动板，要求三层结构以获取基础、轴钉和装订支 承，其折页的可移动结构附在基座上。剪切铰链在下面编排第二层 聚合硅，然后越过第一层聚合硅。编排允许支承结构沉积于第一层 但不能与其相连。目前的新结构是利用悬臂在上面施压，然后固定 轴钉。轴是采用自限制机理设计的，以防止轴突出于第一层聚合硅 之下。铰链的设计、生产和试验是在表面微加工的微造影系统中进 行的，它能张开到900.8度。 第四章44 4.1 微机电系统结构与元器件 在机器人的人造手臂致动方法研究方面，一个卓有成效的进 展是利用小的强制位移组合产生大位移的静电肌肉仿生系统： 集成的力阵列产生柔性膜与外加电场相接；表面微加工用来制 作边长为几毫米矩形的金属外附聚酰亚胺膜；一百五十万元素 的阵列形成了一段1cm长的电缆，仅施加几伏的电压就会缩短 0.3cm。 目前力阵列技术还正在发展以用于联锁柔性元件的坐标移动 除机器人应用之外，自排列的高密度多触点电气连接器也可 采用这项技术来设计。 第四章45 4.1 微机电系统结构与元器件 10、 微喷嘴 超微孔径和喷嘴常用于光学仪器和各种机械装置，包括高 分辨率的喷墨打印机、流体控制和喷雾器。用于喷墨打印机的 微喷嘴是产量最高的微执行器。 其过程如下页图所示：牺牲蚀刻用于生产氮化硅的高尖端喷 嘴状结构，氮化物结构通过KOH蚀刻和精确的锯除过程从基座 解脱出来，交替的背面掩膜各向异性蚀刻产生最终的结构。 还有一些其他材料，包括SiO2，硼化硅、聚合硅、耐火材料 和贵金属都能用于喷嘴生产。 第四章46 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章47 4.1 微机电系统结构与元器件 11 、晶片堆砌的互连 晶片摞晶片的连接可用于改善集成电路的密度。金属 的顺次微机械加工能提供一项技术，在晶片的层面上实现 大量的各种硅技术产品的互联。如图4.1.8所示，采用各向 异性蚀刻的晶片被排列在有互联要求的地方。金字塔形状 的结构有一方形开口，在顶部是25mm，在薄晶片的底部 是120mm。一个精致的镀金网格用于填充其空腔，在顶部 的蘑菇状连线和在底部的挤压实现了镀金层间的接触。 第四章48 4.1 微机电系统结构与元器件 第四章49 4.1 微机电系统结构与元器件 12、超微型吉它 上述各种结构的一个例证： 超微型吉它。由美国康奈尔大学研 究人员制造，是世界上最小的吉它。 吉它长10m，六根弦中每根间 隔50nm。以硅晶体采用微机械加工而成。技术的关键是电子束制 版，创造出精巧的模型。 利用这种方法，一截30nm宽的连线悬浮穿过2m的间隙。 这些超微机械装置的研究主要用于解决关于运动和机械能量耗散 的物理问题。 第四章50 4.1 微机电系统结构与元器件 4.1.5 微执行器的应用 微执行器是由适用于微小水平级别的各种力驱动的，主要分为两类： 一类利用电场或磁场力来工作，另一类则直接