微傳感器研究的現(xiàn)狀與性能發(fā)展方向

壓阻式壓力傳感器由于受p?n結(jié)耐溫限制，只能用于120℃以下的工作溫度，然而在許多領(lǐng)域迫切需要能夠在高低溫下正常工作的壓力傳感器,例如測(cè)量鍋爐、管道、高溫容器內(nèi)的壓力，井下壓力和各種發(fā)動(dòng)機(jī)腔體內(nèi)的壓力。目前對(duì)高溫壓力傳感器的研究主要包括SOS、SOI、SiC、Poly?Si合金薄膜濺射壓力傳感器、高溫光纖壓力傳感器、高溫電容式壓力傳感器等。其中6H?SiC高溫壓力傳感器可望在600℃下應(yīng)用。

開發(fā)諧振式壓力傳感器。

    微機(jī)械諧振式壓力傳感器除了具有普通微傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。硅微諧振式傳感器的激勵(lì)/檢測(cè)方式有電磁激勵(lì)/電磁拾振、靜電激勵(lì)/電容拾振、逆壓電激勵(lì)/壓電拾振、電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振和光熱激勵(lì)/光信號(hào)拾振。其中，電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器價(jià)格低廉，與工業(yè)IC技術(shù)兼容，可將敏感元件與信號(hào)調(diào)理電路集成在1塊芯片上，具有誘人的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)主要有中科院電子所、北京航空航天大學(xué)和西安交通大學(xué)從事這方面的研究，精度可達(dá)到0.37％。我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)這種傳感器的溫度交叉靈敏度較大，為此設(shè)計(jì)了一種具有溫度自補(bǔ)償功能的復(fù)合微梁諧振式壓力傳感器。諧振器由在同一硅片上制作的微橋諧振器和微懸臂梁諧振器組成，微橋諧振器和微懸臂梁諧振器材料相同，厚度相等或相近，制作工藝完全相同，同時(shí)制作，因而二者對(duì)溫度變化可以同步響應(yīng)。通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)，作為溫敏元件的微懸臂梁諧振器的諧振頻率實(shí)時(shí)補(bǔ)償溫度變化對(duì)微橋諧振器諧振頻率的交叉靈敏度。經(jīng)補(bǔ)償?shù)闹C振式壓力傳感器的溫度交叉靈敏度減小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。光熱激勵(lì)/光學(xué)信號(hào)檢測(cè)的微諧振式壓力傳感器具有抗電磁干擾、防爆等優(yōu)點(diǎn)，是對(duì)電熱激勵(lì)/壓敏電阻拾振的微諧振式壓力傳感器的有益補(bǔ)充，但是需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，不易實(shí)現(xiàn)，成本較高。

    微加速度傳感器

    硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微機(jī)械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報(bào)道的AGXL50型，其結(jié)構(gòu)包括4個(gè)部分：質(zhì)量塊、檢測(cè)電容、力平衡執(zhí)行器和信號(hào)處理電路，集成制作在3mm×3mm的硅片上，其中機(jī)械部分采用表面微機(jī)械工藝制作，電路部分采用BiCMOSIC技術(shù)制作。隨后Zimmermann等人報(bào)道了利用SIMOXSOI芯片制作的類似結(jié)構(gòu)，Chan等人報(bào)道了測(cè)量范圍在5g和1g的改進(jìn)型力平衡式加速度傳感器。這種傳感器在汽車的防撞氣袋控制等領(lǐng)域有廣泛的用途，成本在15美元以下。

    國(guó)內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵(lì)、壓阻電橋檢測(cè)的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對(duì)稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個(gè)諧振梁用于信號(hào)檢測(cè)。

    微機(jī)械陀螺

    角速度一般是用陀螺儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來(lái)測(cè)量角速度的。