9.2 MEMS技术及其微型传感器

9.2MEMS技术与微型传感器9.2.1MEMS技术9.2.2微型传感器MEMS技术是多学科交叉的新兴领域，涉及精密机械、微电子材料科学、微细加工、系统与控制等技术学科和物理、化学、力学、生物学等基础学科。包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。9.2.1MEMS技术MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）通常称微机电系统。MEMS系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。1.微电子机械系统MEMS系统与外界相互作用示意图微型化。传统的机械加工技术是在厘米量级，但是MEMS技术主要为微米量级加工，这就使得利用MEMS技术制作的器件在体积、重量、功耗方面大大减小，可携带性大大提高。集成化。微型化的器件更加利于集成，从而组成各种功能阵列，甚至可以形成更加复杂的微系统。硅基材料。MEMS的器件主要是以硅作为加工材料，这就使制作器件的成本大幅度下降，大批量低成本的生产成为可能，而且硅的强度、硬度与铁相当，密度近似铝，热传导率接近钼和钨。制作工艺与IC产品的主流工艺相似。MEMS中的机械不限于力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、光、磁、化学、生物等效应。MEMS的目标是“微机械”与IC结合的微系统，并向智能化方向发展。2.MEMS技术的特点尺寸效应是MEMS中许多物理现象不同于宏观现象的一个重要的原因，其主要特征表现在：微构件材料的物理特性的变化。力的尺寸效应和微结构的表面效应。在微小尺寸领域，与特征尺寸的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减弱，而在传统理论中常常被忽略了的、与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增强。微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械尺度的制约。此外，随着尺寸的减小，表面积()与体积()之比相对增大，因而热传导、化学反应等的速度将加快。3.MEMS的理论基础9.2MEMS技术与微型传感器9.2.1MEMS技术9.2.2微型传感器硅压力传感器硅微加速度传感器微型流量传感器微型氧传感器气相色谱仪9.2.2微型传感器几种常见的微型传感器硅压力传感器硅压力传感器是最早用微机械加工工艺制造的传感器，主要有硅压阻式和电容式两种，其中应用最广的是硅压阻式。硅电容式压力传感器结构硅压力传感器电容式微硅压力传感器实例硅微加速度传感器硅微压阻式加速度传感器硅微压阻式加速度传感器的另一个典型应用是用作汽车的气囊和安全带装置中的加速度敏感元件。为测量心脏壁的运动研制的硅微加速度传感器硅微电容式加速度传感器常用于微应力研究和汽车等领域硅微电容式加速度传感器的缺点是频率响应范围窄和需要复杂的信号处理电路。微型流量传感器压阻式微型流量传感器基于粘滞力的微型流量计结构利用半导体材料的压阻效应还可测量流量。所依据的测量原理是：利用流体在流动过程中产生的粘滞力或流体通道进出口之间的压力差，带动传感器中敏感元件运动或产生变形，这种运动或变形引起上面的压敏电阻的阻值发生变化，通过检测这种阻值的变化即可测量流体的速度和流量。流体在流动过程中受到障碍物作用时，由于流体的粘滞作用，会在平行于流动方向上产生粘滞力lvKFv1l为障碍物长度式中，v为流速为流体粘滞度1K为比例系数悬臂梁在粘滞力vF的作用下发生形变，产生的表面应力为26bhlFbvblbh式中，为障碍物长度；为梁的根部宽度；为梁的根部厚度。由此引起梁的压敏电阻阻值的相对变化为KvbhllvKKKRRb21226式中，KK,2为相应的比例系数。由上式可知，电阻变化率与流速成正比。微型流量传感器电容式微型流量传感器利用流体流动过程中形成的压力差促使电容传感器极板间距的改变来达到测量流量的目的。基于压差作用的电容式微型流量计微型流量传感器小型单片硅压力-流量传感器主要由一个带绝热结构的热流量传感器和一个压力传感器组成微型氧传感器薄膜限制电流型的氧传感器结构气相色谱仪气相色谱仪Endthe9.2