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微型傳感器是一種物理縮放的簡單產(chǎn)品

時間:2022-01-07 點擊次數(shù):

相對于傳統(tǒng)傳感器,微型傳感器有很多新的特點,能彌補傳統(tǒng)傳感器的不足,其應(yīng)用前景十分廣闊。本文詳細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和發(fā)展趨勢。

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、低成本的信號處理器件,這限制了整個系統(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,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。放大信號傳輸,減少干擾,降低噪聲,提高信噪比;采用綜合反饋線和補償線,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、放大電路和補償電路中。同一塊芯片能集成多個同感器件,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、諧振等方式進行工作,微機械熱對流加速度傳感器應(yīng)運而生。

詳細介紹了其工作原理及結(jié)構(gòu)特點;在懸臂端部設(shè)有擴散加熱電阻,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位置,決定了其沿溫度分布的曲線。采用P型硅/鋁熱電偶測量懸臂梁上分布的P-硅/鋁熱電偶,實現(xiàn)了加速度的測量。

它具有很高的熱電偶靈敏度,可以直接輸出電壓信號,省去了復(fù)雜的信號處理電路,對電磁干擾不敏感。懸臂與散熱板之間的距離為140μm、200μm、梁長100μm、梁寬4μm、梁厚10μm時,傳感器的靈敏度為1mV/g,梁長為100μm。微機械熱對流加速度傳感器在不存在大質(zhì)量塊的情況下,具有很強的抗沖擊能力,但頻率響應(yīng)范圍較小。

微型機角速度傳感器。

需用陀螺測量旋轉(zhuǎn)角速度和角度。以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型機械陀螺儀可以廣泛應(yīng)用于汽車拖動控制系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、軍用設(shè)備。微型機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)。

共振式微機械陀螺的結(jié)構(gòu)是由固定在基座上的靜態(tài)驅(qū)動單元(包括內(nèi)齒架和外架)以及兩個雙端音叉諧振器(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)動器的驅(qū)動電壓(角頻率為ωp),則將質(zhì)量塊的內(nèi)動齒架沿y軸方向擺動。若外部繞z軸的旋轉(zhuǎn)(輸入信號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。外框由兩對支撐梁固定,并可沿x軸移動。由兩對桿放大并傳送至外框架兩側(cè)的兩個雙音叉諧振器(DETF)。DETF輸出信號頻率的變化反映了輸入角速率的變化。

微機電陀螺的平面外輪廓結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2,厚度僅2μm?,F(xiàn)有的振動輪式硅微機械陀螺,直徑1毫米,厚19微米,寬5微米,電極間距7微米。

微電場傳感器

電磁場感應(yīng)器是以導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電荷為基礎(chǔ)。該傳感器包括振動和感應(yīng)兩部分。振動部的核心是振動片,它由氮化硅(Si3N4)薄膜制成,能垂直振動。電感電極、屏蔽電極、激振電極是由在振動膜上生長的金屬電極和感應(yīng)器構(gòu)成。屏蔽器用多孔陣列接地。該傳感器工作時,激發(fā)電極通過交流電壓源與兩電極間的庫侖力連接,使振動膜垂直振動。調(diào)節(jié)交流電壓頻率,使薄膜接近諧振點,達到預(yù)定的幅度。在這個時候,感應(yīng)電極接收周期性屏蔽電極的電場,產(chǎn)生感應(yīng)電流,并與外部檢測電路相連。微磁場傳感器彌補了一般電場傳感器體積大、能量消耗大的不足,可用于各種環(huán)境中低頻、靜電場的測量,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、自補償?shù)裙δ埽瑢崿F(xiàn)信息的存儲與存儲,多傳感器多參數(shù)混合測量,實時處理信號數(shù)據(jù),實現(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,將物理信號檢測、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,而且簡化了傳感器系統(tǒng)設(shè)計,大大降低了成本。

目前,在微傳感器實現(xiàn)初步智能化的基礎(chǔ)上,人們正運用模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)來實現(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,同時實現(xiàn)多個傳感器的功能。

可實現(xiàn)多種物理量的微傳感器檢測。比如,為實現(xiàn)對多種信號進行檢測,設(shè)計了一種微型數(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,又能輸出頻率、數(shù)字信號。

多用微傳感器能全面、準(zhǔn)確地反映各個應(yīng)用領(lǐng)域的客體。它的研究重點是各種仿生傳感器,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別系統(tǒng)組成。能辨別簡單及復(fù)雜氣味。

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