相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，微型傳感器有很多新的特點(diǎn)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)傳感器的不足，其應(yīng)用前景十分廣闊。本文詳細(xì)介紹了一些微傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并說明了其基本特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。
小型傳感器特性。
傳感元件的制造工藝與半導(dǎo)體IC工藝不相容，無論其性能、尺寸或成本如何，都不能適應(yīng)IC技術(shù)所生產(chǎn)的高速、高密度、小體積、低成本的信號(hào)處理器件，這限制了整個(gè)系統(tǒng)的集成、量化和性能的充分發(fā)揮。
與傳統(tǒng)的傳感器相比，微型傳感器是一種物理縮放的簡(jiǎn)單產(chǎn)品，它采用MEMS工藝制造的新一代傳感器。它具有小尺寸、集成等特點(diǎn)，可極大地改善傳感器性能，與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料，能夠極大地改善傳感器。放大信號(hào)傳輸，減少干擾，降低噪聲，提高信噪比；采用綜合反饋線和補(bǔ)償線，改善輸出的線性和頻率特性，減少誤差，提高靈敏度。
數(shù)組傳感器可以集成到芯片、放大電路和補(bǔ)償電路中。同一塊芯片能集成多個(gè)同感器件，兼容性好，易于集成和封裝微電子設(shè)備。
加工制造過程中，采用成熟的硅微半導(dǎo)體工藝，可以批量生產(chǎn)，成本非常低。
通常是微型傳感器。
微機(jī)式加速傳感器
傳感器是首批成功地利用MEMS技術(shù)研制和應(yīng)用的微型傳感器之一。目前微型加速度傳感器主要采用壓阻、電容、力平衡、諧振等方式進(jìn)行工作，微機(jī)械熱對(duì)流加速度傳感器應(yīng)運(yùn)而生。
詳細(xì)介紹了其工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；在懸臂端部設(shè)有擴(kuò)散加熱電阻，加熱電阻通電后所產(chǎn)生的熱全部沿著橫梁及上下散熱板傳遞。上、下散熱板的傳熱速率取決于加熱電阻和散熱板的距離，以及熱板與懸臂梁之間的相對(duì)位置，決定了其沿溫度分布的曲線。采用P型硅/鋁熱電偶測(cè)量懸臂梁上分布的P-硅/鋁熱電偶，實(shí)現(xiàn)了加速度的測(cè)量。
它具有很高的熱電偶靈敏度，可以直接輸出電壓信號(hào)，省去了復(fù)雜的信號(hào)處理電路，對(duì)電磁干擾不敏感。懸臂與散熱板之間的距離為140μm、200μm、梁長(zhǎng)100μm、梁寬4μm、梁厚10μm時(shí)，傳感器的靈敏度為1mV/g，梁長(zhǎng)為100μm。微機(jī)械熱對(duì)流加速度傳感器在不存在大質(zhì)量塊的情況下，具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，但頻率響應(yīng)范圍較小。
微型機(jī)角速度傳感器。
需用陀螺測(cè)量旋轉(zhuǎn)角速度和角度。以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型機(jī)械陀螺儀可以廣泛應(yīng)用于汽車拖動(dòng)控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、軍用設(shè)備。微型機(jī)械式陀螺儀具有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等，其工作原理是基于哥氏效應(yīng)。
共振式微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)是由固定在基座上的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)單元(包括內(nèi)齒架和外架)以及兩個(gè)雙端音叉諧振器(DETF)組成。該質(zhì)量塊由四根支承梁固定在基礎(chǔ)上。如果增加靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓(角頻率為ωp)，則將質(zhì)量塊的內(nèi)動(dòng)齒架沿y軸方向擺動(dòng)。若外部繞z軸的旋轉(zhuǎn)(輸入信號(hào)Ω)作用于晶片，則該質(zhì)量塊沿x軸產(chǎn)生哥氏力，并通過內(nèi)支撐梁傳遞到外架上。外框由兩對(duì)支撐梁固定，并可沿x軸移動(dòng)。由兩對(duì)桿放大并傳送至外框架兩側(cè)的兩個(gè)雙音叉諧振器(DETF)。DETF輸出信號(hào)頻率的變化反映了輸入角速率的變化。
微機(jī)電陀螺的平面外輪廓結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2，厚度僅2μm。現(xiàn)有的振動(dòng)輪式硅微機(jī)械陀螺，直徑1毫米，厚19微米，寬5微米，電極間距7微米。
微電場(chǎng)傳感器
電磁場(chǎng)感應(yīng)器是以導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電荷為基礎(chǔ)。該傳感器包括振動(dòng)和感應(yīng)兩部分。振動(dòng)部的核心是振動(dòng)片，它由氮化硅(Si3N4)薄膜制成，能垂直振動(dòng)。電感電極、屏蔽電極、激振電極是由在振動(dòng)膜上生長(zhǎng)的金屬電極和感應(yīng)器構(gòu)成。屏蔽器用多孔陣列接地。該傳感器工作時(shí)，激發(fā)電極通過交流電壓源與兩電極間的庫侖力連接，使振動(dòng)膜垂直振動(dòng)。調(diào)節(jié)交流電壓頻率，使薄膜接近諧振點(diǎn)，達(dá)到預(yù)定的幅度。在這個(gè)時(shí)候，感應(yīng)電極接收周期性屏蔽電極的電場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，并與外部檢測(cè)電路相連。微磁場(chǎng)傳感器彌補(bǔ)了一般電場(chǎng)傳感器體積大、能量消耗大的不足，可用于各種環(huán)境中低頻、靜電場(chǎng)的測(cè)量，具有良好的應(yīng)用前景。
微型傳感器的發(fā)展方向：
智能小型傳感器。
該系統(tǒng)具有自診斷、標(biāo)定、自補(bǔ)償?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)與存儲(chǔ)，多傳感器多參數(shù)混合測(cè)量，實(shí)時(shí)處理信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出。
智能型微傳感器可以從根本上改變傳統(tǒng)傳感器的單一功能，將物理信號(hào)檢測(cè)、分析和數(shù)字處理結(jié)合起來。該方法不但極大地改善了傳感器系統(tǒng)的性能，而且簡(jiǎn)化了傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了成本。
目前，在微傳感器實(shí)現(xiàn)初步智能化的基礎(chǔ)上，人們正運(yùn)用模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)更高層次的微傳感器智能化——分布式網(wǎng)絡(luò)。
多種用途的微型傳感器
微傳感器技術(shù)是傳感器技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展方向，借助于敏感元件中不同的物理結(jié)構(gòu)和物質(zhì)，以及它們的不同表現(xiàn)形式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的功能。
可實(shí)現(xiàn)多種物理量的微傳感器檢測(cè)。比如，為實(shí)現(xiàn)對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種微型數(shù)字三端口傳感器，包括熱敏元件、光敏元件和磁敏元件。感應(yīng)器既能輸出模擬信號(hào)，又能輸出頻率、數(shù)字信號(hào)。
多用微傳感器能全面、準(zhǔn)確地反映各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的客體。它的研究重點(diǎn)是各種仿生傳感器，如觸覺感知、嗅覺感知以及像PVDF材料的視聽識(shí)別。不接觸皮膚敏感系統(tǒng)和橡膠觸覺傳感器；電子鼻由交叉選擇性氣體傳感器顯示和模式識(shí)別系統(tǒng)組成。能辨別簡(jiǎn)單及復(fù)雜氣味。
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