第六講微傳感器

第六講

微傳感器

傳感器微型化是當今傳感器技術的主要開展方向之一，也是微機電系統〔MEMS〕技術開展的必然結果。微傳感器是目前最為成功、最具有實用性的微機電系統裝置。微傳感器敏感元件尺寸一般在0.1~100微米之間。微傳感器在理論根底、結構工藝、設計方法等方面，都有許多自身的特殊現象和規(guī)律。

微傳感器概述

微傳感器概述微傳感器包括三個層面的含義：①單一微傳感器。顯著特點是尺寸小(從微米級到毫米級、有的甚至到達納米級)，主要采用精密加工、微電子技術以及MEMS技術，使尺寸大大減小。②集成微傳感器。將微小的敏感元件、信號處理器、數據處理裝置封裝在一塊芯片上，形成集成的傳感器。③微傳感器系統。包括微傳感器、微執(zhí)行器，可以獨立工作。此外，還可以由多個微傳感器組成傳感器網絡或者通過其他網絡實現異地聯網。CCD光敏元顯微照片例如：瑞士Sensirion公司的SHT11/15型高精度、自校準、多功能式智能傳感器。能同時測量相對濕度、溫度和露點等參數；兼有數字濕度計、溫度計和露點計這3種儀表的功能；可廣泛用于工農業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療儀器、通風及空調設備等領域。SHT11/15型智能傳感器的外形尺寸僅為7.62mm〔長〕×5.08mm〔寬〕×2.5mm〔高〕，質量只有0.1g，其體積與一個大火柴頭相近。MPXY8300智能電容壓力傳感器是飛思卡爾公司07年推出的業(yè)內第一款采用MEMS技術制作面向超低功耗和精確感應的胎壓監(jiān)控系統〔TPMS〕的電容傳感器。芯片實物如下圖，在20針腳的SOIC封裝內集成有電容壓力傳感器、電容X軸、Z軸加速度傳感器，溫度傳感器、512bRAM、16KB閃存的8位微控制器〔MCU〕和RF發(fā)射器等電路。MPXY8300的超低功耗可以使一節(jié)鋰電池使用10年!無線高清攝像膠丸式內窺鏡電路主要包括以下幾個局部：1.圖像采集、處理與控制局部這局部包括帶數字圖像輸出的CMOS圖像傳感器、圖像壓縮模塊、MEMS微電機、發(fā)白光與具有兩種不同紅外波長的LED光源等。2.無線傳輸局部膠丸式內窺鏡無線傳輸局部包括信道編碼、無線收發(fā)器、射頻功放和天線等。3.能量供給局部包括電池和能源管理電路,因為體內局部的能源供給是保證實現全消化道檢查的必要條件,所以低功耗設計可以延長電池壽命。4.無線接收與數據傳輸局部體外的便攜式無線接收和數據傳輸裝置的功能主要是把天線接收陣列接收的內窺圖像數據分成兩路，一路送給膠囊定位模塊獲得膠囊的定位信息，另一路送入相連接的無線接收器，然后把定位信息和圖像一起存入便攜式存儲體上或轉發(fā)給計算機控制與處理裝置。5.計算機控制與處理局部計算機控制與處理裝置主要包括無線發(fā)送卡、計算機、高清晰度監(jiān)視器以及相關的處理軟件。

微傳感器的優(yōu)點體積小，重量輕。微傳感器的敏感元件尺寸大多在微米級，封裝后的尺寸大多為毫米量級甚至更??；重量一般在幾克到幾十克之間。功耗低。特別適合電池供電的便攜式儀器。性能好。溫度穩(wěn)定性提高、工作頻帶加寬。易于批量生產，本錢低。微傳感器的敏感元件一般利用硅微加工工藝制造，適合大批量生產，從而降低了單件本錢。便于集成化和多功能化。

微傳感器的優(yōu)點微傳感器的集成化一般有三種情況：將微傳感器與后級的放大電路、運算電路、溫度補償電路等集成在一起，實現一體化；將同一類微傳感器集成于同一芯片上，構成陣列式微傳感器；將幾個微傳感器集成在一起，構成一種新的微傳感器。傳感器的多功能化是與集成化對應的一個概念，指微傳感器能感知與轉換兩種以上不同的物理或化學參量。提高傳感器的智能化水平。智能傳感器是測量技術、半導體技術、計算機技術、信息處理技術、微電子學和材料科學互相結合的綜合密集技術。與一般傳感器相比，智能傳感器具有自補償能力、自校準功能、自診斷功能、尋址處理能力、雙向通信功能、信息存儲、記憶和數字量輸出功能。MEMS技術在傳感器方面的應用，大大提高了傳感器的智能化水平。利用MEMS技術，可以將信號調節(jié)電路、信號處理電路、微處理器、接口電路等與傳感器封裝成一體，組成微傳感器系統。

微傳感器的優(yōu)點

微傳感器涉及微機械學、微電子學、微流體力學、微熱學、微摩擦學、微納米生物學等多種理論方面的研究。微傳感器涉及的根底技術包括微機電系統設計技術、材料技術、微加工技術、微測量技術、集成與控制技術等。

微傳感器之材料技術

微機電系統所用材料按性質分為三類：〔1〕結構材料：具有一定機械強度，用于構造微機電系統器件結構基體的材料，如硅晶體；〔2〕功能材料：指具有特定功能的材料，如壓電材料、光敏材料；〔3〕智能材料：指具有結構功能化和功能多樣化的材料組合體，一般具備傳感、制動和控制三個根本要素，能夠模仿人類或生物的某些特定行為，對外界信息鼓勵具有較強的自適應能力。常見的智能材料有形狀記憶材料、電致伸縮材料、電流變與磁流變材料等。

微傳感器之材料技術

由于微機電系統中使用最多的材料是硅，所以對硅的微加工是微機電系統中的重要局部。這局部技術很多與集成電路制造中常用的技術是通用的，如氧化、摻雜、光刻、腐蝕、沉積等。但為了滿足微機電系統所要求的器件，還有一些獨特的加工技術和新的加工方法，如LIGA技術、鍵合技術、準分子激光加工技術等。

微傳感器之微加工技術

典型微傳感器之微壓力傳感器壓阻式傳感器是利用硅的壓阻效應和微電子技術制成的一種物性型傳感器。優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)響應好、精度高、易于微型化和集成化等。

單晶硅材料在受到應力作用后，其電阻率發(fā)生明顯變化，這種現象被稱為壓阻效應。對半導體材料式中，π——壓阻系數,與晶向有關。壓阻式壓力傳感器晶向的表示方法壓阻式傳感器基片是半導體單晶硅，是各向異性材料。外加力的方向不同，壓阻系數變化很大。晶體的取向是用晶向表示的。晶向是指晶面的法線方向，如圖。其表示方法有兩種：1〕截距式2〕法線式式中p為法線長度。與截距式相比較得：表示晶向的米勒指數：就是由截距的倒數化成的三個沒有公約數的整數，用h、k、l表示。規(guī)定：——表示晶向——表示晶面——表示晶面族〈100〉〈010〉〈001〉單晶硅的壓阻系數將單晶硅沿三個晶軸方向取出一微單元，其應力分量共9個，但剪切應力總是兩兩相等，即因此獨立的共6個，即記為：將與6個方向應力對應的6個電阻率相對變化dρ/ρ記為則壓阻效應方程矩陣形式為1〕剪切應力不可能產生正向壓阻效應，則矩陣中2〕正向應力不可能產生剪切壓阻效應，故3〕剪切應力只能在剪切應力作用方向所在平面內產生壓阻效應，故4〕單晶硅是正立方晶體，考慮其對稱性，則有：正向壓阻效應應該相等：橫向壓阻效應應該相等：剪切壓阻效應應該相等：故壓阻系數矩陣為其中，——縱向壓阻系數——橫向壓阻系數——剪切壓阻系數求任意晶向的壓阻系數，如下圖。圖中1、2、3為單晶硅晶格的主軸方向，在任意方向P形成壓敏電阻，電阻沿此方向變化，故該方向為電阻的主方向，也稱縱向，與P垂直的方向為Q方向。如有應力σ∥沿此方向作用在壓敏電阻上，稱此應力為縱向應力。要求此應力在壓敏電阻縱向P引起的縱向壓阻系數π∥，則必須將壓阻系數矩陣中各壓阻系數分量全部投影到P方向。定義新坐標系1’、2’、3’，設P方向〔即1’〕在標準的立方晶格坐標系中的方向余弦為l1、m1、n1，則投影結果為假設有應力σ⊥沿Q方向作用在單晶硅上，稱此應力為橫向應力，此應力在單晶硅P向引起的橫向壓阻系數π⊥為式中，l2、m2、n2為Q方向〔即2’軸〕在標準立方晶格坐標系的方向余弦。如單晶硅在此晶向〔也是電流流過方向〕同時有縱向和橫向應力，則電阻變化率為上述三個公式是設計壓阻式傳感器的根本計算公式。室溫下單晶硅壓阻系數數值見表。晶體導電類型電阻率/(Ω·cm)π11π12π44SiP7.86.6-1.1138.1N11.7-102.253.4-13.6的數值

典型微傳感器之微壓力傳感器例：計算〔100〕晶面內﹤011﹥晶向的縱向壓阻系數與橫向壓阻系數。解：ABCD為晶面〔100〕，在該面內﹤011﹥晶向為AC，相應的橫向為BD。晶面〔100〕方向的矢量描述為i，晶向﹤011﹥的矢量描述為j+k。由于因此在〔100〕面內﹤011﹥晶向的橫向為則﹤011﹥晶向的方向余弦為：晶向的方向余弦為P型硅——N型硅——典型壓阻式壓力傳感器結構示意圖如下。敏感元件圓形平膜片采用單晶硅制作〔將硅片腐蝕成厚10~25微米的膜〕，利用擴散法或淀積法在硅膜片上制造所期望的壓敏電阻。硅膜周邊用硅環(huán)固定，下部是與被測系統連接的高壓腔，上部為低壓腔，通常與大氣相通。

典型微傳感器之微壓力傳感器

典型微傳感器之微壓力傳感器硅杯型壓力傳感器的關鍵制作工藝：〔a〕在單晶硅晶圓上涂光刻膠，掩膜制作出壓敏電阻圖形并光刻顯影，然后以光刻膠為掩膜，擴散硼離子形成電阻，然后除掉所有光刻膠〔b〕將整個晶圓氧化，在外表得到很薄的氧化層，然后離子注入激活并淀積Si3N4，取代氧化層，以起到更好的鈍化作用。再光刻得到接觸孔的窗口，這是得到鋁與擴散電阻實現歐姆接觸的過孔?！瞔〕在晶圓正面濺射淀積一薄層鋁，光刻出導線和焊盤，此時完成了鋁與壓敏電阻的歐姆接觸。

典型微傳感器之微壓力傳感器〔d〕保護好正面，刻蝕反面，得到特定厚度的應變膜?！瞖〕將制作好的芯片與硼硅玻璃在高真空下采用陽極鍵合技術鍵合在一起，形成空腔。最后劃片，將晶圓分割成獨立的芯片。將圓形硅膜片上各點的應力分解成徑向應力σr與切向應力σt，其計算公式分別為應力分布如圖。式中

典型微傳感器之微壓力傳感器晶向<001>的硅膜片傳感器元件如圖。分別沿相互垂直的和<110>二晶向，利用擴硼的方法擴散出四個P型電阻，構成電橋的兩對橋臂電阻，位于圓膜片的邊緣處，則晶向的兩個徑向電阻與<110>晶向的兩個切向電阻值的變化率分別為在晶向，

典型微傳感器之微壓力傳感器在<110>晶向,則可見，電阻變化率大小相等，符號相反。如圖。

典型微傳感器之微壓力傳感器晶向硅膜片傳感元件如圖。沿<110>晶向，在0.635a半徑之內與之外擴散兩個電阻，<110>晶向的壓阻系數為則內外電阻變化率大小相同，但符號相反，內正外負。電阻率大小為

典型微傳感器之微壓力傳感器壓阻式壓力傳感器在設計中為使輸出線性度較好，擴散電阻所受應變不應過大，應使硅膜片上最大應變不超過400~500微應變。圓形膜片上各點的應變考慮橫向效應時可用下式計算單晶硅的彈性模量E與晶向有關。

典型微傳感器之微壓力傳感器如圖。可見，膜片邊緣處徑向應變最大。所以設計中膜片邊緣徑向應變不應超過400~500微應變。由此可得圓膜片半徑與厚度之比的最大值為

典型微傳感器之微壓力傳感器通常選定a=1.8~10mm，h=50~100μm。利用集成電路工藝制造的壓阻式壓力傳感器突出的優(yōu)點是尺寸小，固有頻率很高，因而可用于測量頻率很高的氣體或液體的脈動壓力。固有頻率計算式為：式中，E為彈性模量；ρ為硅片密度〔kg/m3〕。由于硅的彈性模量與鋼幾乎相等，但硅的密度僅為鋼的1/4~1/3，所以硅膜片的固有頻率比鋼高近2倍。由BDRIVE端給傳感器BP提供0.5

mA(額定值)的鼓勵電流，傳感器輸出信號送至INP、INM端。調節(jié)R2可使鼓勵電流到達額定值。通過開關S1、S2、S3閉合(高電平1)或斷開(低電平0)設置A0、A1、A2狀態(tài)組成不同數碼以改變MAX1450內部可編程放大器增益。近幾年出現的單片集成硅壓力傳感器是集壓力傳感單元、信號調理、溫度補償和壓力修正電路為一體的高性價比壓力傳感器，具有精度高、響應速度快、體積小、微功耗、外圍電路簡單等特點。這類傳感器的典型代表是美國Motorola公司生產的MPX系列單片集成硅壓力傳感器。MPX系列壓力傳感器的輸出電壓與被測絕對壓力成正比，適配帶A/D轉換器的微控制器構成壓力檢測系統。如下圖是MPX系列集成壓力傳感器的封裝外形。MPX5100內部電路原理圖典型應用電路。圖中C1、C2為電源退耦電容，C3為輸出端消噪電容。電容式微壓力傳感器優(yōu)點：功耗低、靈敏度高、溫度特性好、漂移小。

典型微傳感器之微壓力傳感器變極距式電容壓力傳感器受壓變形時膜位移量不一致，存在非線性誤差，這在檢測高壓時尤其嚴重。圖(b)所示接觸式壓力微傳感器的特點是工作在膜與襯底“接觸〞的狀態(tài)。一方面絕緣層的介電常數遠高于空氣，另一方面由于接觸狀態(tài)下兩電極極板間的距離很小，靈敏度比普通膜片式結構高1~2個數量級，且過載能力強。電容式微壓力傳感器制作工藝包括硅制作工藝、玻璃電極制作工藝以及硅和玻璃組合制作工藝。以下圖所示為玻璃襯底制作工藝：

典型微傳感器之微壓力傳感器

典型微傳感器之微壓力傳感器電容式微壓力傳感器之硅及硅-玻璃組合制作工藝：壓阻式加速度傳感器硅壓阻式加速度傳感器原理示意如圖。由材料力學知識可知懸臂梁根部所受應力為壓阻式加速度傳感器結構簡單，外形小巧，性能優(yōu)越，尤其適用于低頻加速度的測量。對于從零赫茲開始的低頻振動檢測，是普通壓電式加速度傳感器難以測得的。

典型微傳感器之微加速度傳感器電阻如果選用<001>晶向作為懸臂梁的單晶硅襯底，沿、<110>晶向各擴散兩個電阻，兩個晶向的兩個電阻阻值變化率分別為一種單懸臂梁式硅加速度傳感器結構傳感器由一塊硅片〔包括質量塊和懸臂梁〕和兩塊玻璃鍵合而成，從而形成質量塊的封閉腔。在懸臂梁上通過擴散法集成了電阻。其制作工藝流程為：

典型微傳感器之微加速度傳感器單懸臂梁壓阻式加速度傳感器的制作工藝過程

典型微傳感器之微加速度傳感器加速度微傳感器的幾種懸臂梁〔a〕圖結構缺陷：y方向的加速度使質量塊繞x軸轉動，使懸臂梁產生扭轉〔對其它方向加速度敏感〕?！瞓〕圖結構對y方向的運動敏感度比〔a〕圖結構低得多，但由于質量塊的中心位于懸臂梁平面之下，因此x方向的加速度仍然可造成懸臂梁的彎曲，且不能與z向加速度造成的彎曲區(qū)分?！瞔〕~〔f〕多梁結構中，z向加速度造成質量塊的平移，而x或y方向的加速度造成質量塊的轉動，這些效應可以分別被檢測出來，離軸靈敏度很低。壓阻式加速度傳感器的缺點是對溫度敏感，靈敏度較低。

典型微傳感器之微加速度傳感器在溫度穩(wěn)定性方面，電容式微加速度傳感器比壓阻式加速度傳感器具有本質上的優(yōu)勢。圖示是一個典型的電容式加速度微傳感器結構示意。結構中采用硅片和玻璃鍵合的方法來實現厚而大的質量塊以獲得高靈敏度。

電容式微加速度傳感器

典型微傳感器之微加速度傳感器

1—加速度測試單元；2—信號處理電路；3—襯底；

4—底層多晶硅（下電極）；5—多晶硅懸臂梁；6—頂層多晶硅（上電極）設電容極板初始間距為y0，初始電容為C0。當傳感器受到外部加速度作用時，質量塊產生位移△y。設：設二階彈性系統的彈性系數為k，則有ma=k△y，即則電容總變化量為這種電容式微加速度傳感器最早于1991年見諸報道。測量范圍為±5g，分辨率達0.005g。目前在汽車防撞氣囊中得到應用。

典型微傳感器之微加速度傳感器AD公司生產的ADXL50是最典型的電容式加速度微傳感器。它采用多晶硅外表加工工藝制作出敏感元件，在芯片上集成有檢測電路。這種傳感器最早報道于1991年，1994年實現產品化。梳狀電極結構在有限的空間內提高了電容值，增大了傳感器的靈敏度。靜止時工作時

典型微傳感器之微加速度傳感器ADXL50加速度傳感器電容檢測原理圖振蕩器提供給兩個固定極板的脈沖信號相位相反。當沒有加速度時，Cs1、Cs2相等，加到中央動極板上的脈沖信號由于相位相反而相互抵消，輸出信號為零。當加速度作用使Cs1、Cs2存在差值時，加在兩個固定極板上的脈沖信號相位不再嚴格相反，中央極板輸出的電壓為圖示脈沖信號?！瞐〕無加速度〔b〕有加速度利用1MHz的同步脈沖信號對此輸出信號進行解調，當加速度為正方向時，解調器輸出電壓為正電壓，反之為負電壓。通過上述工作過程，就能將梳狀電極間電容量的變化轉換成相應的直流電壓輸出。單片雙軸加速度傳感器ADXL202ADXL202的封裝ADXL202采用QC-14封裝，引腳排列如下圖。UDD和COM分別為兩個電源端和兩個接地端；UTP為測試端，供廠家測試芯片用；ST是自檢測端，可進行功能自檢；T端接電阻RSET，用于設定輸出脈沖的周期；XFILT、YFILT端分別接X通道、Y通道的濾波電容CX、CY。XOUT、YOUT為傳感器X軸、Y軸的輸出端；NC為空腳。在工字梁上分布著46個敏感單元。圖中的虛線框就表示其中一個敏感單元，內有一對平行板式差動電容器Ca、Cb。主要包括六局部：①X軸傳感器；②Y