第五章 微传感器_修改1.doc

第五章第五章 微微 传传 感感 器器 自 19 世纪产业革命以来 传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系 统的自动化程度 例如 为了对蒸汽机进行速度调节与控制 人们发明了离心式调速器 这 种离心式调速器就是一种传感器 它实时地测量转速 当转速有变化时 就把这种变化转换 为位移量 位移量又反过来调节蒸汽的流量 使转速恢复到所希望的值 如果狭义地定义 传感器就是 将外界信号变换为电信号的一种装置 广义的定义 传 感器就是 外界情报的获取装置 中国国家标准 GB7665 87 则规定 传感器 transducer sensor 的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可以输出的信 号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 其中 敏感元件 sensing element 是指传 感器中能直接感受或响应被测量的部分 转换元件 transduction element 是指传感器中能将敏 感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分 可见 传感器主要有两个功能 其一是拾取信息 其二是把拾取到的信息进行变换 使 之成为一种与被测量有确定函数关系的 而且便于传输和处理的量 一般是电量 众所周知 测量的品质一般以测量准确度 测量带宽和测量速度来衡量 对传感器而言 就是要求它具 备一定大小的灵敏度 稳定度和动态特性 由于被测量的千差万别 传感器的种类也有多种多样 分类方式也不尽相同 例如 按 照敏感原理可以分为物理 化学和生物传感器 如图 5 1 所示 图 5 1 传感器分类 物理量传感器是利用某些变换元件的物理特性以及某些功能材料的特殊物理性能制成的 如利用金属和半导体材料热效应制成的温度传感器 利用金属和半导体的压阻效应制成的压 力传感器 还有利用半导体材料的光电效应制成的光电传感器等都属此类 近年来 科学技术的飞速发展 特别是微电子技术 计算机技术 信息处理技术及材料 科学的发展 使得集各种先进技术的传感器进入了一个前所未有的飞速发展阶段 随着 MEMS 技术的不断发展 特别是其加工技术 如蒸镀 刻蚀 微细加工的进步 过去很难加工的工艺变得容易了 通过蒸镀可以制成均匀的 稳定的 并可以把拾取信息的 敏感部分和电路集成于一体 例如 微加工技术可在半导体材料上 利用刻蚀方法使局部厚 度变成几个微米而感受压力的敏感膜 从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸 多不稳定因素 除了敏感元件及其信号处理电路 调节机构甚至运动元件也都可以利用微加 工技术集成在一起 在相对极小的空间里制作出测量和控制系统 微传感器的出现为传感器这个大家族增加了新的成员 目前 各种各样的微传感器已经 问世 测量对象从机械量的位移 速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图 物理传感器 化学传感器传感器 生物传感器 物性型传感器 结构型传感器 像和流速 以及磁场 化学成分等应有尽有 利用微加工技术开发的众多传感器 其敏感原 理已经跨越了图 5 1 中的所有种类 物理 化学和生物 同传统传感器相比 微传感器具 有体积小 质量轻 例如 机械 集成电路和生物微电子产品的加工尺寸 通常分别是毫米 微米和纳米 功能灵活 可以在一个基片上构造多种传感器及其配用电路 功耗小 以及 成本低廉 可以规模化生产 等特点 但目前很多微传感器对环境有较高的要求 如温度和 湿度必须控制在一定范围内 此外 微传感器的测量对象相对还比较少 有待于通过提高微 加工技术水平来扩展 本章详细介绍几种物理量传感器的基本原理 制造工艺及特性等 5 1 传感器的基本物理效应传感器的基本物理效应 如前所述 传感器包括微传感器可以实现的种类很多 从原理上讲都以物理 化学及生 物的各种规律或效应为基础 因此了解传感器所基于的各种效应 对学习 研究和使用各种 传感器 特别是物性型传感器 是非常必要的 表 5 1 列出了部分物性型传感器的检测对象 及所基于的物理效应 如果读者想了解更广泛和深入的内容 请参考其他文献 表表 5 1 一些物性型传感器的基础效应一些物性型传感器的基础效应 检测 对象 类型所利用的效应 输出 信号 传感器或敏感元件举例主要材料 可见光 CdS CdSe 光电导效应电阻光敏电阻 红外 PbS InSb 电流光敏二极管 光敏三极管 光电池 Si Ge InSb 红外 光生伏特效应 电压肖特基光敏二极管 Pt Si 光电子发射效应电流光电管 光电倍增管Ag O Cs Cs Sb 量子型 约瑟夫逊效应电压红外传感器超导体 光 热型热释电效应电荷红外传感器 红外摄像管BaTiO3 电阻应变效应金属应变片 半导体应变片康铜 卡码合金 Si 电阻式 压阻效应 电阻 硅杯式扩散型压力传感器Si Ge GaP InSb 压电效应电压压电元件石英 压电陶瓷 PVDF 压电式 正 逆压电效应频率声表面波传感器石英 ZnO Si 压磁式压磁效应感抗压磁元件 力 扭矩 转矩传感器硅钢片 铁氧体 坡莫合金 磁电式霍尔效应电压霍尔元件 力 压力 位移传感器Si Ge GaAs InAs 光电效应电流 各种光电元件 位移 振动 转速传感 器 CdS InSb Se 化合物 机 械 量 光电式 光弹性效应折射率压力 振动传感器各种透光弹性材料 赛贝克效应电压温差电偶 Pt PtRh10 NiCr NiCu Fe NiCu 约瑟夫逊效应 噪声 电压 绝对温度计 超导体 热电式 热电效应电荷驻极体温敏元件PbTiO3 PVF2 LiTaO3 压电式 正 逆压电效应频率声表面波温度传感器石英 温 度 热 型热磁效应电场Nernst 红外探测器热敏铁氧体 磁钢 霍尔元件Si Ge GaAS InAs 霍尔效应电压 霍尔 IC MOS 霍尔 ICSi 电阻磁阻元件Ni Co 合金 InSb InAs 磁阻效应 电流二极管 磁敏晶体管Ge 磁电式 约瑟夫逊效应电流超导量子干涉器件 SQUID Pb Sn Nb Nb Ti 磁光法拉第效应YIG EuO MnBi 磁 光电式 磁光克尔效应 偏振光 面偏转 光纤传感器 MnBi 光电式放射线效应光强光纤射线传感器Ti 石英 Si Ge 放 射 线 量子型 P N 结 光生伏特效应 电脉冲 射线敏二极管 二极管 Li Ge Si HgI2 肖特基效应电流肖特基二极管Au Si 5 2 压阻效应与半导体应变传感器压阻效应与半导体应变传感器 5 2 1 电阻应变效应电阻应变效应 1856 年 英国物理学家 W Thomson 首先发现了金属的电阻应变效应 并由 B W Bridgemen 于 1923 年用实验进行了验证 金属导体的电阻随着机械变形 伸长或缩短 的 大小发生变化的现象称为电阻应变效应 它是应变片式传感器工作的基础 以下以一根金属 丝为例说明这种效应 设金属丝长为 l 截面积为 s 电阻系数为 则其阻值为 5 1 s l R 当导线两端受到拉力 F 的作用时 其长度 l 伸长 dl 截面积 s 减小 ds 电阻系数 变化 d 从而金属丝电阻值增加 dR 图 5 2 对式 5 1 微分得到 5 2 s s l l R Rdddd 因为 s r2 r 为金属丝半径 所以有 5 3 r r s sd 2 d 由材料力学可知 5 4 l l r rdd 式中 为泊松比 0 1 2 故 1 2 项可以忽略 这时有 5 10 E R R d 由上式 5 10 可见 半导体材料的电阻值变化 主要是由电阻率变化引起的 而电阻率 的变化是由应变引起的 这种半导体材料电阻率随应变所引起的变化称为压阻效应 5 2 25 2 2 半导体压阻系数的表示半导体压阻系数的表示 晶体中电流密度可以表示为 J J1i J2j J3k 其中i j和k分别为表示沿x y和z三坐标轴方向的单位向量 类似地 晶体中的电场强度可 以写成 E E1i E2j E3k 在一般情况下 J1 的值不仅由E1所决定 还与E2和E3有关 J2 J3也是如此 可表示为 3332321313 3232221212 3132121111 EEEJ EEEJ EEEJ 式中 ij为晶体的电导率张量 一般有9个分量 通常 上式可以写成矩阵形式 5 11 3 2 1 333231 232221 131211 3 2 1 E E E J J J 由9个分量 ij组成的电导率张量矩阵是一个二级张量矩阵 电导率张量一般满足 ij ji关 系 而对于立方晶体的硅单晶材料 在坐标轴取于晶体的立方轴上时 12 21 13 31 23 32 0 考虑 11 22 33 因此有 3 2 1 11 11 11 3 2 1 00 00 00 E E E J J J 应该注意 这一简单形式仅是在特殊情况下才能成立的 在晶体不是立方晶体或晶轴取向为 任意时 仍应用式 5 11 同样 欧姆定律也可以用电阻张量表示 3 2 1 333231 232221 131211 3 2 1 J J J E E E 同样 电阻率张量也是一个有9个分量的二级张量 一般也满足 12 21 23 32 13 31 等关系 在立方晶体和坐标轴取在主晶轴方向时 12 23 13 0和 11 22 33 因此 3 2 1 33 22 11 3 2 1 00 00 00 J J J E E E 在晶体受力时材料内产生应力 应力 本身是一个二级张量 它有9个分量 x y z 是垂 直于x轴 y轴 z轴 的单位平面上受到的沿x方向 y方向 z方向 的力 xy是在垂直于x轴的 单位平面上受到的沿y方向的切应力 yx是在垂直y轴的单位平面上受到的沿x方向的切应力 等等 在晶体静止情况下有 xy yx yz zy xz zx 在外力作用下 晶体的电阻率张量的六个分量 11 22 33 23 31 12的相对变化值 ij ij 0 都是与六个应力张量有关的 0为无应力时的各向同性的电阻率 采用六个 分量表示法即令 11 1 22 2 33 3 32 4 31 5 12 6 和 11 1 22 2 23 3 23 4 31 5 12 6 则有 5 12 6 5 4 3 2 1 6661 262221 161211 6 5 4 3 2 1 式中 ij为压阻张量的分量 它最多有36个独立分量 但在很多情况下 它的形式可以简化 如在常见的立方晶体中 压阻张量实际上只有三个独立分量 它的形式为 44 44 44 111212 121112 121211 00000 00000 00000 000 000 000 式中 11称为纵向压阻系数 表示沿某晶轴方向的应力对沿该晶轴方向电阻的影响 12为 横向压阻系数 表示沿某晶轴方向的应力对于其垂直的另一晶轴方向电阻的影响 44为剪 切压阻系数 表示剪切应力对与其相应的某电阻率张量分量的影响 如剪切力Yz对电阻率分 量 yz的影响 对硅材料而言 11 12和 44已经实验测定 常用的数据有 P Si 7 8 cm 11 6 6 10 11 m2 N 12 1 1 10 11 m2 N 44 138 10 11 m2 N N Si 11 7 cm 11 102 10 11 m2 N 12 53 4 10 11 m2 N 44 13 6 10 11 m2 N 当电阻方向不在晶轴方向时 或应力不在晶轴方向时 压阻张量要从一个坐标系变换到 晶体主轴坐标系 这是一个四级张量的坐标变换 计算复杂 这里不进行讨论 应该说明 在硅膜比较薄时 可以略去沿硅膜厚度方向的应力 三维问题就简化成了二 维问题了 任何一个膜上电阻在应力作用下的电阻相对变化为 5 ttll d R R 13 式中 l为纵向压阻系数 t为横向压阻系数 l为纵向应力 t为横向应力 固态压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化的性质所制成的半导体器件 它是 在半导体基片上用集成电路工艺扩散电阻直接作为敏感元件 半导体基片受到外界振动 压 力等作用将产生变形 其内部应变随之发生变化 而扩散电阻阻值亦随着相应的变化 根据 电阻值变化的大小 就可确定压力 振动和角速度等物理量 5 2 3 固态压阻式压力传感器固态压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器有外壳 硅膜片引线组成 其简单结构如图5 3 a 所示 其核心 部分是一块圆形硅膜片 在膜片上利用集成电路的工艺方法扩散上四个阻值相等的电阻 用 导线将其构成平衡电桥 膜片的四周用圆环 硅环 固定 如图5 3 b 所示 膜片的两边有 两个压力腔 一个是与被测系统向连接的高压腔 另一个是低压腔 一般与大气相通 当膜片两边存在压力差时 膜片产生变形 膜片上个点产生应力 四个电阻在应力作用 下 阻值发生变化 电桥失去平衡 输出相应的电压 该电压与膜片两边的压力差成正比 这样 测得不平衡电桥的输出电压 这就测出了膜片受到的压力差的大小 a 固态压力传感器结构图 b 硅环上法线为晶向的膜片 图5 3 硅压力传感器构造示意图 对于固态压阻式压力传感器而言 它的纵向应力 l和横向应力 t决定于硅片上各点径向 应力和切向应力 当r 0 635r0时 l 0 r0 为拉应力 r 0 635r0时 l 0 为压应力 当r 0 812r0时 t 0 仅有 l存在 且 l 0 圆形平膜片上的径向应力平均值 和切向应力平均值可以分别用下式计算 l t b a b a b a b a r r r r r r r r rrr rrr dd dd tt ll 5 2 4 固态压阻式加速传感器固态压阻式加速传感器 压阻式加速传感器构造示意图如图 5 4 所示 在它的悬臂梁根部的两面沉积有四个桥 路电阻 上下面各两个等值电阻 当梁的自由端的质量受到加速度作用时 悬臂梁受到弯 矩作用发生变形时会产生应力 使电阻值变化 压阻式加速度传感器的输出方式是将集成在硅梁上的四个等值电阻连成平衡电桥 当加 速度作用于硅片上的质量块时 电阻值会发生变化 使电桥失去平衡 产生电压输出 但是 由于制造工艺残留内应力及环境温度变化等原因 电桥输出存在失调 零位温漂 灵敏度温 度系数和非线性等问题 这些因素会给传感器带来测量误差 因此 必须采取有效措施 减 少或补偿这些因素带来的影响 提高传感器的准确性 补偿的具体方法请参考其他文献 目前 微加工技术的发展为固态压阻式加速度传感器的微型化带来了可能 如图5 5所 示 人们已能将传感器包括信号调理电路制作在同一芯片上 这样不仅使传感器系统的尺寸 大大减小 也有利于温度误差的矫正 该图中 圆形物为5日元硬币 其直径约14mm 图 5 5 芯片型压阻式加速度传感器 图 5 4 固态压阻式加速度传感器构造示意图 5 3 电容式三维加速度计电容式三维加速度计 三维加速度计可以用来同时测量三维方向上的加速度值 并以向量的形式表示 在汽车 控制 电气工程和其他许多应用场合 体积小巧 测量准确的三维加速度计有很重要的应用 例如 在汽车运动控制系统中 三维加速度计是用来控制汽车底盘和制动刹车系统等不可缺 少的部件 三维加速度计有很多种类 本节仅介绍一种日本住友精工Osamu等研制的电容式加速度 传感器 其结构如图5 6所示 该传感器对各个方向加速度值之间的干扰有很强的抑制能力 而且温度特性和线性特性都很好 该加速度计有四层结构 其尺寸约为6mm 6mm 2 2mm 在顶层玻璃层的底部形成有五 个固定电极 分别用来引出电容传感器信号及屏蔽接地 第二层是硅材料 其中微加工形成 的由四个悬臂梁组成的公共电极可以在3个轴向 X Y Z 上自由运动 固定电极与硅基底的铝 焊盘孔通过触点相连接 第三层材料也是玻璃 它构成振动质量块和基架 底部的第四层硅 结构起限位作用 stopper 当免加速度值过量程时损坏传感器 图5 7给出了固定电极和公共 电极结构示意图 可见 固定电极 C1 C2 C3 C4 C5 在第一层的底部均匀地分布于X和 Y轴构成的平面上 X Y 轴向的加速度值由C1 C2 和C3 C4 的电容值差动给出 而Z轴向的的 加速度值则由C5电容值的变化给定 图 5 6 三维加速度传感器结构示意图 a 固定电极的成型阵列 b 四臂悬臂梁的移动公共电极结构 图 5 7 传感器的固定电极与公共电极 1 工作原理工作原理 当传感器所在部位做加速度运动时 其加速度作用在质量块上 使质量块发生惯性失衡 偏移 并同时带动横膈膜 公共电极 失衡 图5 8 a 所示为X Y 轴向加速度作用 图5 8 b 所示为Z轴向加速度 图5 8 三个方向的加速度引起的构造变化 上述的失衡必然造成传感器移动电极和固定电极间的电容值发生变化 表5 2给出了各 轴向加速度与传感器各电容值间的定性关系 表中关系表明 该传感器无需像普通加速度计 那样考虑修正轴向间加速度值的交叉干扰影响 2 加工工艺 加工工艺 图5 9所示为传感器加工工艺流程 其中 a 为可移动电极 硅基底由微加工工艺制作 而成 其过程是 二次剖光的晶片的表面用 TMAH 溶液刻蚀4 m 其凹痕形成电极间隙 其底侧刻蚀残留60 m作为梁的厚度 连线用的铝焊盘和绝缘层也在硅材料的表面凹成 最 终 硅层被 TMAH穿透 表面覆盖有SiO2薄膜的部分除外 加工完成的硅层再与上下的玻 璃层黏结 如 b 所示 这一工艺过程也可以称作阳极键合 1 下层的玻璃层又被分割成惯性 表 5 2 各轴向加速度与传感器电容输出的定性关系 X轴向加速度Y轴向加速度Z轴向加速度 C1C2C3C4C5 AX 000 AY00 0 AZ 注 指增加 指减少 0 指无变化 a X Y 轴向加速度引起的变化 b Z 轴向加速度引起的变化 质量块及基座 如 c 所示 然后 再在玻璃层下粘接一层硅材料作为过量程保护 即阳极键 合 2 如 d 所示 最后 如图5 9中 e 和 f 所示进行划片和封装 3 传感器温度特性 传感器温度特性 作为半导体型传感器 本节介绍的三维加速度计无可避免地存在温度特性误差 其存在 的主要原因是硅材料与玻璃的热膨胀系数不同 当温度发生变化时 加速度为0或恒定 传 感器固定电极和移动电极也会有位置偏移 因而传感器的输出值也将发生变化 分析表明 当温度由20 C变化到85 C时 面积为4mm2的半金属状态的硅 玻璃结构将弯曲约0 1 m 而 造成移动电极位置的微小偏移 通过改善传感器各部件的结构和形状可以部分地抑制温度误 差 还可以考虑黏结正负热膨胀系数的材料在一起来互补温度影响 由于篇幅所限本书不再 详细讨论 4 非线性问题与独立解 非线性问题与独立解 从本质上看 该传感器采用的是 变间隙电容 敏感元件 可表示为 d S C 式中 为电介质常数 S为电容极板间的有效面积 d为电容极板间距 采用电容 电压配用电路的传感器X Y 输出和Z输出分别为 5 14 00Z Z Z ddd d V 图 5 9 传感器加工工艺流程 5 15 2 0 0 0 2 11 Z YX YXZYXZ YX dd d dddddd V 式中 d0为电容间距初始间距 dX Y 和dZ分别为X Y 和Z轴向加速度造成的电容间距偏移 如 图5 10所示 图5 10 X和Z向加速度下电容电极剖面示意图 由于Z轴向的加速度值由电容C5单独给出 因此Z向输出反比于Z向加速度值 而式 5 15 表 明X Y 输出逼近于X轴向加速度值的正比例 但是 式 5 15 同时也表明X Y 输出的灵敏度也 与Z向加速度值有关 图5 11给出了Z向加速度存在时的影响 图 5 11 1g 下的实验结果 未加补偿 实验中 传感器安装在一个可以水平旋转的工作台上 并使得旋转始 终围绕于 Y 轴 上面的图形曲线表明 Z 轴向加速度值对 X 轴向电容 输出灵敏度有滞后影响 由式 5 14 和式 5 15 可以解出分别独立反映Z向和X向加速度值的变量 即 补偿输出 电压值 VRZ与VRX 5 16 ZZ Z Z VK V V 1 R 5 17 2 1 ZX X RX VK V V 式中 KZ KX称为 补偿系数 其值决定于d0 dZ 应用式 5 16 和式 5 17 可以精确地计 算出X Y和Z轴向上的加速度值 如果传感器系统中有CPU处理单元 上述计算可由编程完 成 对于没有CPU的传感器系统 可由图5 12的电路进行自动补偿 5 传感器综合指标 传感器综合指标 该传感器可以应用在工业实际环境中 加上配用设备 电源等 的总体封装尺寸为 54mm 53mm 22mm 其中 微传感器部分仅为普通集成芯片大小 传感器的总体性能指 标见表5 3 图5 13分别给出的是传感器温度漂移和温度 灵敏度漂移 图5 14为轴向间补偿 后的实验结果 表 5 3 传感器总体性能指标 参数单位指标 测量范围g 2 电流mA15 7 灵敏度V g1 灵敏度温度漂移特性 C X0 027 Y 0 008 Z 0 004 温度漂移总体特性mg C X 0 44 Y0 33 Z 0 85 非线性 FS 满度 X0 35 Y0 33 Z0 82 轴向间互扰 X1 64 Y2 12 Z1 04 静态噪声 1kHz带宽 mg 有效值 X0 92 Y0 59 Z0 59 工作温度 C 30 75 图 5 12 补偿轴向间测量数值干扰的电路 图 5 13 传感器温度漂移特性 图 5 14 1g 下的传感器特性 补偿后 5 4 振动式微陀螺仪振动式微陀螺仪 当需要检测物体的运动方向和姿态时常用到陀螺仪 即转速计 陀螺仪按其构成原理可 分为机械式 光学式 气动式和振动等类型 这当中 振动式最适合微型化 因为它的结构 相对简单且无旋转部件 近年来 基于微加工技术制作的振动型微陀螺仪的研究报道很多 并逐步迈向实用化 日本村田制作所的田中研究小组研制出了一种典型的基于表面微加工工艺的微陀螺仪 其结构如图 5 15 所示 它的多晶硅谐振子长 800 m 包括两侧的梁 宽 400 m 包括两侧 的梳状振动器 厚度 5 m 被 4 个梁悬起来 这些梁的终端被锚定在单晶硅上 为了得到 大的弯曲振幅 驱动方向是横向的 在 x 方向 振子是靠施加在梳状操作器上的 AC 和 DC 偏置电压所产生的静电力来工作的 驱动振动模式 当振子沿 y 轴以角速度 转动时 所 产生的柯氏力 F Coriolis force 理论上 F 2mv m为谐振子的质量 v为谐振子的横向振 动速度 与 成比例变化 会引起振子沿 z 轴方向上下振动 检测振动模式 但这种振动 弯曲很小 一般通过振子和硅板之间的空隙的静电电容的变化才可以检测到 若设计的空隙 是 1 m 为了提高检测高灵敏度 需要合理设计 4 个梁的尺寸 即支撑梁的长宽高 一般使 驱动模式和检测模式的响应频率很接近 图 5 15 微陀螺仪的构造示意图 基于表面微加工技术制作微陀螺仪的工艺流程如图 5 16 所示 一个检测电极 PSG 牺 牲层 1 m 厚 和多晶硅层 5 m 厚 被沉积在一片单晶硅上 利用 RIE 使多晶硅刻蚀成 谐振子 牺牲层用氢氟酸湿法腐蚀除去 然后用水漂洗 最后在真空环境用二甲基二丙醇冷 冻干燥 这种冷冻干燥可以避免由于表面张力使振子粘到硅板的现象 用激光位移计测量驱 动模式的谐振频率和检测模式的谐振频率 然后用离子研磨来修正两种模式谐振频率 这里 有选择性地研磨支撑梁 可使检测模式的谐振频率比驱动模式的减少得更快 图 5 16 微陀螺仪制作工艺流程 图 5 17 给出了微陀螺仪的测试系统的原理框图 在真空中测试微陀螺仪的输出特性 给样品施加 5V DC 偏置电压和 10Vp p AC 驱动电压 且两边的梳状微驱动器交替工作 相 位相差 180 使用 FET 电容 电压转换器来检测出电容的变化 用相位检测计放大和处 理 C V 转换器的信号 图 5 18 给出了当角速度为 45 s 时 陀螺仪的输出电压随环境压强变 化的情况 由图可知 输出电压随着压强的增加而减小 在较高压力下输出电压的减少是由 于空气的阻尼效应 使谐振子的谐振品质因数 Q 减小所致 特别值得一提的是驱动模式的 Q 对谐振子振幅有明显的影响 为了使这种微陀螺仪能稳定工作 一般要采用振幅反馈控制 和真空封装 图 5 19 是一幅振动型微陀螺仪的 SEM 照片 图 5 17 陀螺仪信号调理电路示意图 图 5 18 陀螺仪的输出电压与压强间的关系 输 出 电 压 V 绝对压力 p 图 5 19 一幅振动型微陀螺仪的 SEM 照片 5 5 微型热式湿度传感器微型热式湿度传感器 混合气体中的某一特定气体的密度通常可以由这种气体的热传导率的积分值来决定 即 可根据周围环境所测得的热敏电阻的阻值变化来感知大气中某一成分的密度 这种测量原理 已用于诸如气相色谱仪和真空计 基于此原理也可测量气体的湿度 例如 有一种湿度计 它依靠测量电阻值的变化来测定周围环境大气的湿度 这种变化是由于来自于加热电阻器的 热扩散进入大气引起的 它利用了气体热传导之间的差异 普通的湿度传感器中 使用两个 具有相同电热特性的加热器 其中一个被密封在诸如干燥空气的特定环境里 作为温度补偿 的电热调节器来使用 另外一个被暴露在被探测的大气中 一般来说这种结构的湿度传感器 对于探测绝对湿度 有很好的重复性以及对于杂质有抵抗能力 且可以在高温情况下使用 这里介绍一种利用微加工技术研制的具有快速响应的微型加热湿度传感器 具有前面提 到的那种具有电热调节器的湿度传感器的优点 这种微型湿度传感器使用了与微型气体传感 器相同的工艺 尺寸微小 这里使用气体桥路的构造是为了尽可能地依靠它所产生的热来增 加传感器的响应速度 这种微型湿度传感器可以置于微型加热器内部 其中一端作为温度补 偿被密封 另一端被暴露在外用来探测气体的湿度 传感器的实物照片如图 5 20 所示 这种传感器是在一片具有 Ta2O5膜的单晶硅上制作 依靠腐蚀留下 SiO2膜形成一个空穴 在空穴上桥接 4 个悬臂梁 在 Ta2O5膜上制作 Z 字形 状的铂膜电阻 这个铂膜也可以作为一对电极使用 该传感器的尺寸是 2 5mm 2 5mm 其 中桥路的面积是 175 m 175 m 厚度大约是 3 m 图 5 20 微型湿度传感器的 SEM 照片 当给传感器施加不同的激励电流时的实验结果如图 5 21 所示 由实验结果可知 当电 流小于 4mA 时 传感器对湿度几乎没有反应 但对环境温度反应敏感 当电流大于 4mA 时 传感器的输出电压随环境温度的变化趋缓 但受湿度的影响急剧增加 图 5 21 传感器的温湿度灵敏度与激励电流的关系 为了得到较好的湿度测量精度 并考虑到传感器的响应速度及能耗等因素 该传感器 用脉冲电流来驱动 即首先在第一阶段供给传感器通入 4mA 较小的电流且持续 50ms 在第 二阶段供给 8mA 较大的电流也持续 50ms 在暂停 1s 后 重复如上动作驱动 传感器的湿 度实验曲线如图 5 22 所示 这里 湿度 是由大电流时得到的电压 Vh的平方值 Th高温约 500 和小电流时得到的电压 Vl的平方值 Tl低温约 100 的差来决定 即 5 2 l 2 h KVV 18 从实验数据中可以得到 K 1 74 由实验可知 传感器的输出电压与湿度 之间有很好 的线性关系 但却独立于环境温度 图 5 22 传感器的输出与湿度间的关系 传感器的温湿度灵敏 度 4mA 8mA 绝对湿度 RH 传感器输出电压 V 这种微型加热式湿度传感器具有以下优点 即使环境条件突然改变 传感器也可以 准确地测量湿度和温度 不需要加热器的补偿 它与微型加热器几乎具有同样的特点 传感器的总功耗仅大约是具有温度补偿的湿度传感器功率的一半 由于具有较高的工 作温度 这种传感器测量湿度的范围宽 因为这种传感器对湿度 温度和空气压力敏感 因此这种传感器也可用在其他场合 5 65 6 微型微型光栅读码器光栅读码器 日本 NTT 境界领域研究所的泽田研究小组利用半导体集成光学等综合技术在 0 8mm2的 砷化镓基片上成功制作出了完整的微型光栅读出器 encoder 它的性能与传统的小型高分 辨率读出器相近 但其质量非常轻 只有后者的 1 2000 因而可用在对体积和质量要求苛刻 的地方 如用于千分尺的读出头 早期研制的读出头见图 5 23 a 它由半导体激光源 光路 反光镜 微透镜和接收光 电二极管等部分组成 由于要制作反光镜和微透镜 工艺复杂 另外 该读出头仅有一个接 收二极管 所以不能区分光栅运动方向而不实用 改进后的读出头见图 5 23 b 和图 5 24 它有两个光电接收二极管 并省去了透镜构造 光路则类似光纤构造 由两种不同折射率的 聚酰亚胺材料采用旋转涂层工艺制作 二者间的折射率相差约 0 008 另外它的光路采用特 殊段差构造 使两路光的相位差约 90 通过一定的信号处理 不仅可感知光栅的移动距 离 而且可辨别其移动方向 微光栅读出头的关键工艺有两点 一是半导体激光共振面形成所需的干法刻蚀技术 二 是光路的制作技术 前者要求无应力产生 端面要垂直且平整 而且要能深度且高速刻蚀 后者的工艺要求不会给已形成的部分带来不良影响 且能耐焊线时的较高温度 同时要求深 度且高速刻蚀 另外 为了实现真正的微型化 需要将检测控制电路也集成到同一基片上 微型光电读出头如图 5 25 所示可用于千分尺 结合细分技术 位移分辨率可达 0 01 m 程度 因此适于精密测量 它可用于空间狭小的场合 结合其他构造可测量许多种物理量 例如 在微悬臂梁上刻上光栅 重锤部 用微光电读出头来读取悬臂梁的位移 按此原理 可开发出加速度传感器 电路部分 a 早期研发的样品 b 改进后的样品 图 5 23 微型光栅读出器 光路 图 5 24 新型光电读出头构造示意图 图 5 25 微光栅使用于千分尺 5 75 7 微型微型磁通门磁通门 磁通门是利用被测磁场中高导磁铁芯在交变磁场的饱和激励下 其磁感应强度与磁场强 度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器 磁通门传感器也称磁强计 由探头和接口电路 组成 具有分辨率高 最高可达 10 11T 测量弱磁场范围宽 在 10 8T 以下 可靠 简易 经济 耐用 能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点 磁通门传感器 的研究起始于 1928 年 几年后才出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计 它 被用来测量 1mT 以下的直流或低频交流磁场 1936 年 Aschenbrenner 和 Goubau 称达到了 0 3nT 的分辨率 在第二次世界大战中 用于军事探潜的磁通门传感器有了较大的发展 磁 通门从其问世以来得到了不断的发展和改进 被广泛应用在各个领域 如地磁研究 地质勘 探 石油测井 空间磁场探测 磁性导航 武器侦察 探潜 磁性材料测试和材料无损探伤 等弱磁场探测的各个领域 近年来 磁通门在宇航工程中也得到了重要应用 例如 用来控 制人造卫星和火箭的姿态 测绘太阳的 太阳风 和带电粒子相互作用的空间磁场 月球磁 场 行星磁场以及星际磁场的图形等 美国宇航局 NASA 目前正在制订的一项雄心勃勃的 微型仪器技术开发计划 主要目的是发展适合 21 世纪的小型 低价 高性能航天器 利用 MEMS 技术对航天器有效载荷的某些机电部件进行微型化 以极大地减小各种科学仪器和传 感器的体积和质量 提高探测器的功能密度 美国喷气推进实验室 JPL 称这些微型仪器 将是新的微型实验室的心脏 它们主要包括 火星登陆器 微加速度计 微磁强计 微湿度 计 微气象站 微地震仪 微集成相机 微成像光谱仪以及微推进器等 由此可见 微型磁 通门在其计划中的位置 传统制造磁通门的方法是在高导磁铁芯上用机械的方法缠绕上励磁线圈和感应线圈制成 探头 再与接口电路连接起来 这种方法制作的磁通门在体积 质量以及功耗等许多方面都 难以实现微型化 目前 利用 MEMS 技术与半导体集成电路工艺相结合是研制微型磁通门传 感器的突破口 微型磁通门的研究起步比较晚 进入 20 世纪 90 年代 日本 美国以及东欧一些国家的 学者才开始尝试利用 MEMS 技术来制作微型磁通门及其系统 并取得了一系列的成果 由于 微加工技术的要求 微型固态传感器必须制作在某种固体衬底材料上 衬底材料的不同 使 得传感器的制作方法也不同 据文献报道 目前微型磁通门的制造工艺主要分为三种 一是 利用 PCB 板加工制作磁通门探头 2000 年 瑞士的 O Dezuari 等发表了他们利用三层 PCB 板 制作微型磁通门探头的技术 该磁通门在 10kHz 的励磁频率下 灵敏度为 18V T 与此同 时 其同胞 Pavel Kejik 等也制作出 PCB 板式探头的磁通门传感器 在 8 4kHz 的频率激励 下 其灵敏度为 55V T 二是在非半导体 如钒 玻璃等 衬底上制作磁通门探头 1994 年 I Vincueria 等利用平面加工技术在金属钒衬底上制作了微型磁通门探头 线圈由 Ti Pd Cu 三层构成 其中 Ti 和 Pd 是用低压气相淀积 LPVD 方法制作 Cu 是用电镀的方法制作而 成 另外 2000 年 P A Roberson 发表了制作在玻璃上的微型磁通门传感器 三是在半导体 材料特别是硅衬底上制作磁通门探头以及包括接口电路在内的磁通门系统 1990 年 瑞士 的 T Seitz 首先采用微电子平面工艺制作了世界上第一个微型磁通门传感器 该磁通门将 磁芯和感应线圈集成到一个芯片上 此后日本 德国 美国以及瑞士的科学家也都开展了微 型磁通门的研究 并相继报道了他们的研究成果 日本的 S Kawahito 等从 1993 年开始先 后研制出单芯 双芯 环芯磁通门探头以及探头与接口电路集成在一起的微型磁通门传感器 系统 德国的 R Gottfried 等于 1996 年研制出带有三个线圈的与接口电路集成在一个芯片上 的双芯磁通门系统 并对此结构的磁通门进行了一系列的研究 1999 年 美国的 T M Liakopouls 等首次制作出微结构的长环芯磁通门探头 2000 年 瑞典的 L Chiesi 等发表了另 一种双芯的集成微型磁通门系统 如表 5 4 所示 人们利用半导体硅材料研究制作的各种磁 通门探头和磁通门系统存在着许多差别 各有其特点 从此表不难看出 与在 PCB 板上或其 他衬底材料上制作磁通门传感器的方法相比较 在半导体衬底上制作磁通门传感器具有无比 的优越性 首先半导体微电子技术的发展已经达到微米 纳米数量级 这对磁通门传感器尺 寸的进一步缩小奠定了基础 其次利用半导体衬底不仅可以将磁通门的探头部分集成在一起 而且还能将磁通门探头及其接口电路制作在同一芯片上 使得整个仪器的尺寸大大减小 同 时还能减小损失在连线 分立器件等上的功耗 及其引起的噪声等 进一步提高磁通门的灵 敏度和分辨率 表 5 4 微型磁通门磁强计研究现状一览表 国别瑞士日本日本日本德国美国瑞士 时间 1990199619961996199619992000 综合 情况 集成 情况 磁芯 感应线 圈 磁芯 励 磁线圈 感应线圈 磁芯 励 磁线圈 感 应线圈 磁芯 励磁 线圈 感应 线圈 接口 电路 磁芯 励磁线圈 感应线圈 补偿 线圈 检测电路 垂直的双磁头 磁芯 励磁 线圈 感应 线圈 磁芯 励磁 线圈 感应 线圈 测量 电路 形状单芯单芯单芯双芯双芯 双门垂直 方环芯 双芯 交叉 材料坡莫 NiFeIn 坡莫坡莫坡莫坡莫坡莫 磁 芯 制法溅射电沉积电沉积溅射 电子束气相淀积 电镀粘贴 材料铝铝铜 制法溅射电沉积溅射电镀 励 磁 线 圈 结构 利用厚 膜技术 制作在 陶瓷衬 底上 三维三维平面三维三维平面 材料铝铝铝铜 制法溅射电沉积溅射电镀 感 应 线 圈 结构 平面三维三维平面三维三维平面 微型磁通门传感器的研究方向如下 系统化 将探头与接口电路完全集成在一个芯片 上 制成真正的磁通门 MEMS 系统 阵列化 根据需要在一个芯片上制作一系列磁通门探 头不仅可以提高传感器的性能 也可完成某些特定的功能 如制作微型磁罗盘 利用微加 工技术 从而提高磁通门传感器的性能 特别是磁芯的性能 利用计算机模拟与仿真软件 对磁通门的接口电路进行模拟优化 提高电路的性能 利用计算机对微型磁通门探头结构 进行模拟计算 以缩短设计周期 提高研究效率 进一步降低成本 向实用化 商品化方 向发展 从而促进相关产业的发展 5 6 15 6 1 磁通门工作原理磁通门工作原理 磁通门是利用铁磁材料在交变磁场的饱和激励下 由于被测磁场的作用而使感应输出的 电压发生非对称性变化来测量弱磁场的一种方法 它的主要原理是电磁感应定律和安培环路 定律 当任一导体回路所交链的磁通链发生变化时 回路中就产生感应电动势 的大小与ee 穿过回路的磁通链的变化率成正比 这就是法拉第电磁感应定律 根据右手螺旋法则 t d d 电磁感应定律可表示为 5 19 tedd 式中 为感应电动势 为磁通量 e 安培环路定律表明 磁场强度矢量沿任一闭合路径的线积分等于穿过此闭合路径的电流 的代数和 即 5 20 l IHdl 式中 为磁场强度 为闭合回路的长度 为激励电流 HlI 在磁通门结构中 由于线圈是密绕在高磁导率的磁芯上 使得在计算中可以做相应近似 认为所产生的磁场全部集中在磁芯上 且分布均匀 故对条形磁芯有 5 21 NIHL 即 式中 为线圈匝数 为线圈总周长 LNIH NL 磁通门是在高磁导率材料做成的铁芯上绕制激励线圈和测量线圈而成的 工作时 激 励线圈中通一固定频率 固定波形的交变电流进行激励 使铁芯往复磁化到饱和 若此时不 存在外测磁场时 则测量线圈输出的感应电动势作傅氏级数展开时 只包含激励频率的奇次 谐波 当存在直流 或极低频 外磁场时 则铁芯中同时存在直流磁场和激励交变磁场 外 磁场在铁芯中形成的磁通被交变磁场所调制 直流外磁场在一半周期内帮助激励场使铁芯提 前到达饱和 而在另外半个周期内使铁芯推迟饱和 因此 造成激励周期内正负半周不对称 从而使输出电压曲线中出现偶次谐波或振幅差 偶次谐波中主要成分为二次谐波 它与被测 磁场成正比 可以利用这些二次谐波或振幅差来检测外磁场 单芯磁通门探头结构如图 5 26 所示 磁芯材料可采用多种含镍成分 含镍 79 81 82 83 85 86 的坡莫合金制成 上面绕有激励线圈和检测输出线 1 n 圈 磁芯截面积为 单芯磁通门传感器采用纵向激励 被测外磁场方向与激励场 2 nA 0 H 方向平行 H 当被测外磁场时 磁芯在正弦波或三角波激励下产生的磁感应强度波形上下对0 0 H 称 检测线圈中的谐波电动势为零 当沿磁芯轴向的被测磁场时 磁芯在激励源正0 0 H 负半周内的磁饱和程度不同 在每个激励周期内 检测线圈中的感应电动势将不再对称分布 谐波电动势将会产生 为了简化计算 将不考虑磁芯的磁滞效应 并用三段折线近似表示磁 化曲线 图 5 27 a 斜线段的斜率为磁芯的物体磁导率 而两水平线段的斜率表示磁芯 T 饱和 即当时 磁芯的磁感应强度 当时 磁芯的磁感应强度 s HH HB T s HH 常数 和分别为磁芯的饱和磁场强度和饱和磁感应强度 s BB s H s B 图 5 26 单芯微型磁通门结构 检测线圈 a 外磁场方向 激励线圈 b 以下仅考察单芯结构磁通门在正弦波激励 图 5 27 b 条件下的工作特性 设总磁场强度为 5 22 tHHH cos m0 式中 为激励磁场强度幅值 m H 在励磁绕组线圈阻抗较小 激励输出阻抗较大时 测量线圈中的感应电动势 为 e 5 23 tHAntHAn tHHBAn tBAnt ne T sindd dd dd d ddd md2Td2 2 22 式中 为磁芯微分磁导率 当时 当时 0 Td s HH Td T s HH Td 图 5 27 中 和 时间内的感应电动势为 1 t 2 t 3 t 4 t 5 24 ttHHAned cos d m0T2 在 和 时间内 2 t 3