MEMS傳感器是當(dāng)今最熱門的傳感器種類，MEMS技術(shù)使傳感器微型化、低功耗、集成化成為可能，是未來(lái)傳感器技術(shù)的發(fā)展方向之一。

本文編譯自傳感器寶典——《現(xiàn)代傳感器手冊(cè)——原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》，說(shuō)明了MEMS電容式傳感器、MEMS觸覺(jué)傳感器、MEMS壓電式加速度計(jì)等常見(jiàn)傳感器的原理和構(gòu)造，可選自己感興趣的部分MEMS傳感器知識(shí)閱讀。

如需《現(xiàn)代傳感器手冊(cè)——原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》（美第五版，790P，PDF）一書(shū)電子文檔，可在傳感器專家網(wǎng)公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【現(xiàn)代傳感器手冊(cè)】獲取下載鏈接。

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1. MEMS電容式傳感器的一般構(gòu)造

2. MEMS電容式加速度計(jì)

3. MEMS壓阻式加速度計(jì)

4. MEMS壓電式加速度計(jì)

5. MEMS熱板式加速度計(jì)

6. MEMS加熱氣體式加速度計(jì)

7. 單片式硅陀螺儀

8. MEMS觸覺(jué)傳感器

9. MEMS壓阻式壓力傳感器

10. 壓力梯度技術(shù)用于流量傳感器

11. 熱傳輸式微流量傳感器

12. MEMS熱電堆式光傳感器

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傳感器技術(shù)的演進(jìn)趨勢(shì)，是向著超小型化或微系統(tǒng)技術(shù)（MST）發(fā)展。這方面的一個(gè)子系統(tǒng)就是MEMS（微電系統(tǒng)）。MEMS器件兼具電子和機(jī)械部件，這意味著其中至少有一種可移動(dòng)或可形變的部件，而電則是其運(yùn)作的必需部分。

另一個(gè)子系統(tǒng)稱為MEOMS（微光機(jī)電系統(tǒng)），基于微電子光學(xué)的系統(tǒng)。顧名思義，這種器件中至少有一個(gè)部件是光學(xué)組件。采用MEMS或MEOMS方法制造的傳感器，大都是三維器件，其尺寸在微米量級(jí)。

微工程學(xué)的兩大構(gòu)成，是微電子學(xué)和微細(xì)加工。在硅片上制造電子電路的微電子學(xué)，已經(jīng)是充分發(fā)展的技術(shù)。微細(xì)加工指的是用于制造微工程學(xué)器件的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)部件的技術(shù)。

微工程學(xué)的主要目的之一，就是要能夠把微電子電路集成到微機(jī)械結(jié)構(gòu)之中，制造完全集成化的系統(tǒng)（微系統(tǒng)）。與微電子工業(yè)中制造的硅芯片一樣，這種系統(tǒng)也同樣具有低成本、高可靠性以及小尺寸的優(yōu)點(diǎn)。

硅微細(xì)加工技術(shù)也是已充分開(kāi)發(fā)的微細(xì)加工技術(shù)之一，因此硅成為用于微系統(tǒng)制造的最佳材料。硅材料有著十分有用的電特性和機(jī)械特性。利用這些特性，通過(guò)MEMS加工技術(shù)，硅材料可廣泛用于諸如壓力、溫度、力及觸覺(jué)傳感器等器件的制造。

利用在電子電路芯片的制造中已經(jīng)充分完善的同樣方法，薄膜和光刻制備工藝等，能夠?qū)崿F(xiàn)各種各樣極其微小和極高精度的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這些大批量制造技術(shù)可用于制造復(fù)雜和微型的機(jī)械部件，這是用其它方法難以做到的。

本文編譯自《現(xiàn)代傳感器手冊(cè)——原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》（第四版，2010年；作者：雅各布?弗瑞登）一書(shū)。所謂手冊(cè)者，即在偏重于實(shí)用和參考價(jià)值。希望通過(guò)本文，可以對(duì)如何在具體的細(xì)節(jié)上設(shè)計(jì)和制造MEMS類傳感器產(chǎn)品窺知一二，進(jìn)而啟迪思維，促進(jìn)創(chuàng)新。

1. MEMS電容式傳感器的一般構(gòu)造

電容式位移傳感器具有十分廣泛的應(yīng)用，它們直接用于測(cè)量位移和位置，也用于能夠產(chǎn)生位移的力、壓力、溫度等等傳感器的構(gòu)建模塊。電容式探測(cè)器幾乎對(duì)所有材料敏感的特性，使其成為很多應(yīng)用的誘人選擇。

公式（1）表明，平板電容器的電容反比于平板之間的距離。電容式測(cè)量、接近和位置傳感器的工作原理，或是基于幾何結(jié)構(gòu)的改變（即電容器極板之間的距離），或是在導(dǎo)電或介電材料存在時(shí)基于電容值的變化。

電容變化時(shí)，可轉(zhuǎn)換成變化的電信號(hào)。如同很多傳感器一樣，電容式傳感器可以是單極的（僅使用一個(gè)電容器），差動(dòng)的（使用兩個(gè)電容器），或采用電容式電橋（使用四個(gè)電容器）。使用兩個(gè)或四個(gè)電容器時(shí)，其中一個(gè)或兩個(gè)電容器可以是定值的，或是反相變化的。

（1）

圖 1. 平板電容式傳感器的工作原理。

（a）平衡位置；

（b）非平衡位置

作為一個(gè)入門的例子，考慮三個(gè)面積都為A的等間距極板（圖1a）。這些極板形成兩個(gè)電容C1和C2。給上、下極板施加反相的正弦波信號(hào)，即信號(hào)相位偏轉(zhuǎn)180°。兩個(gè)電容幾乎彼此相等，因而中心極板對(duì)地幾乎沒(méi)有電壓——C1和C2上的電荷互相抵消。我們假定中心極板向下移動(dòng)距離x（圖1b）。這導(dǎo)致各電容值發(fā)生變化：

（2）

中心極板的信號(hào)與位移成比例增加，信號(hào)的相位表明中心極板移動(dòng)的方向——上或下。輸出信號(hào)的幅值為

（3）

只要x<<x0，輸出電壓就可認(rèn)為是位移的線性函數(shù)。第二個(gè)被加項(xiàng)表示初始電容的失配，是輸出偏移的主要原因。偏移也可由極板外圍部分的邊緣效應(yīng)以及所謂的靜電力導(dǎo)致。這個(gè)力是作用于傳感器極板的電荷相互吸引和排斥造成的，使極板表現(xiàn)得像個(gè)彈簧。該力的瞬時(shí)值為

（4）

在另一種設(shè)計(jì)中，兩個(gè)獨(dú)立的極板采用MEMS技術(shù)制造（圖2）。極板經(jīng)硅的微機(jī)械加工制成。一個(gè)極板作為位移的測(cè)量，另一個(gè)作為基準(zhǔn)。兩個(gè)極板具有幾乎相同的表面積，不過(guò)測(cè)量極板由四個(gè)柔性懸掛支撐，基準(zhǔn)極板則由硬性懸掛固定。這種特殊設(shè)計(jì)對(duì)加速度計(jì)特別有用。

圖 2. 一種雙極板電容式位移傳感器。

（a）微機(jī)械加工感應(yīng)極板；

（b）感應(yīng)和基準(zhǔn)極板的不同懸掛

圖 3. 電容式探頭。

（a）帶有保護(hù)環(huán)的截面圖；

（b）外觀

在很多實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量至導(dǎo)電物體的距離時(shí)，物體的表面本身可以作為電容器的極板。一種單極電容式傳感器設(shè)計(jì)示于圖3，其中電容器的一個(gè)極板連接至同軸電纜的中心導(dǎo)線，另一個(gè)極板由目標(biāo)（物體）構(gòu)成。

注意這個(gè)探頭極板由接地護(hù)套包圍，以使邊緣效應(yīng)最小化，改善線性度。典型的電容式探頭工作在3MHz范圍的頻率，能夠非?？斓靥綔y(cè)移動(dòng)目標(biāo)，因?yàn)閹в袃?nèi)置電子接口的探頭的頻率響應(yīng)在40kHz的范圍。

電容式接近傳感器用于導(dǎo)電物體時(shí)效率很高。傳感器測(cè)量電極和物體之間的電容。然而即使是對(duì)于不導(dǎo)電物體，這些傳感器也能相當(dāng)有效地使用，盡管精確度稍差。任何物體，不管是導(dǎo)體或非導(dǎo)體，置于電極附近時(shí)，都具有其自身的介電特性，會(huì)改變電極和傳感器封裝之間的電容量，進(jìn)而產(chǎn)生可測(cè)量的響應(yīng)。

為了改進(jìn)靈敏度并減小邊緣效應(yīng)，可為單極電容式傳感器提供有源屏蔽。有源屏蔽的目的是消除感應(yīng)電極和目標(biāo)物體的無(wú)關(guān)部分之間的電場(chǎng)，從而使寄生電容幾乎不存在。有源屏蔽圍繞電極的非工作側(cè)配置，施加與電極相等的電壓。因?yàn)槠帘魏碗姌O電壓同相且幅度相同，在這兩者之間和所有位于屏蔽內(nèi)的部件之間都沒(méi)有電場(chǎng)存在，對(duì)操作不會(huì)有影響。有源屏蔽技術(shù)在圖4中加以說(shuō)明。

圖 4. 電容式接近傳感器中圍繞電極的有源屏蔽

圖 5. 平行板電容式電橋傳感器。

（a）極板排列；

（b）等效電路圖

現(xiàn)在，電容式電橋在位移傳感器設(shè)計(jì)中越來(lái)越常見(jiàn)。一種線性電橋式電容位置傳感器示于圖5a。傳感器由兩組平面電極組件構(gòu)成，平面相互平行，以恒定的間距d相鄰。為增加電容，極板組之間的空間相對(duì)較小。固定極板組包括四個(gè)矩形組件，移動(dòng)極板組包括兩個(gè)矩形組件。所有六個(gè)組件具有大致相同的尺寸（一個(gè)邊長(zhǎng)為b，另一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)）。在需要大范圍的線性度時(shí)，每個(gè)極板的尺寸要在機(jī)械上實(shí)際能實(shí)現(xiàn)的情況下盡可能的大。固定組的四個(gè)電極在電路上交叉連接，從而形成電橋式電容回路。

電橋激發(fā)源提供正弦電壓（5～50kHz），移動(dòng)極板對(duì)之間的電壓差由差動(dòng)放大器檢測(cè)，放大器輸出連接至同步檢波器的輸入。具有固定間距的兩個(gè)平行極板的電容，正比于一個(gè)極板直接面對(duì)另一極板相應(yīng)區(qū)域的面積。圖5b表示具有電容電橋結(jié)構(gòu)的傳感器的等效電路。電容器C1的值為

（5）

其它電容由同一公式導(dǎo)出。要注意相對(duì)的電容基本相等：C1=C3，C2=C4。處于完全對(duì)稱位置的極板相互偏移，導(dǎo)致電橋失衡，產(chǎn)生差動(dòng)放大器的相敏輸出。電容電橋電路的優(yōu)點(diǎn)是與任何電橋電路一樣的：線性度和外部噪聲的抑制。除了上述的平板電極，同樣的方法可用于傳感器的任何對(duì)稱配置，例如探測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2. MEMS電容式加速度計(jì)

加速度計(jì)需要特殊的、相對(duì)較重的部件，其移動(dòng)滯后于加速度計(jì)外殼的移動(dòng)，而加速度計(jì)的外殼則結(jié)合至待測(cè)物體。所以位移換能器可用來(lái)產(chǎn)生加速度作用形成的電信號(hào)。

這個(gè)重的部件通常稱為激振質(zhì)量、慣性質(zhì)量或檢測(cè)質(zhì)量。無(wú)論傳感器設(shè)計(jì)或轉(zhuǎn)換技術(shù)如何，測(cè)量的最終目標(biāo)是檢測(cè)該質(zhì)量體相對(duì)于加速度計(jì)外殼的位移。因此，任何能夠在強(qiáng)振動(dòng)或線性加速度之下測(cè)量微小運(yùn)動(dòng)的合適的位移換能器，都能用于加速度計(jì)。

電容式位移轉(zhuǎn)換是經(jīng)過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)且可靠的方法之一。電容式加速度傳感器基本都包含至少兩個(gè)部分，首先是“固定”極板（即連接至外殼），另一個(gè)是附著在慣性質(zhì)量上的極板，能夠在外殼內(nèi)自由移動(dòng)。這些極板形成電容，其值是極板之間距離d的函數(shù)：

（6）

其中κ是介電常數(shù)。可以說(shuō)此電容器的值由加速度調(diào)制。用電容式加速度計(jì)測(cè)量的最大位移很少超過(guò)20μm。因而如此小的位移需要對(duì)漂移和各種干擾進(jìn)行可靠補(bǔ)償。通常用差動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，其中以相同結(jié)構(gòu)形成一個(gè)額外的電容器。第二個(gè)電容器的值必須接近第一個(gè)的值，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)180°的相移改變。于是加速度就可由兩個(gè)電容器值的差來(lái)表示。

圖6a表示電容式加速度計(jì)的截面圖，其中慣性質(zhì)量夾在上蓋和基座之間。質(zhì)量體由四個(gè)硅彈簧支撐（圖6b）。上蓋板和基座板與質(zhì)量體分隔的距離分別為d1和d2。所有三個(gè)部件在硅片上用微機(jī)械加工制備。圖7是電容至電壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路圖，該圖在很多方面類似于圖8的電路。

圖 6. （a）帶有差分電容的電容式加速度計(jì)的側(cè)面截面圖；

（b）由四個(gè)硅彈簧支撐的慣性質(zhì)量頂視圖

圖 7. 適合于在硅片上集成的電容至電壓轉(zhuǎn)換器電路圖

圖 8. 差動(dòng)式電容至電壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖（a）

和時(shí)序圖（b）

質(zhì)量體和上蓋電極之間的平行平板電容Cmc具有極板面積S1。質(zhì)量體向上極板移動(dòng)時(shí)，極板間距d1以數(shù)量?減小。第二個(gè)電容Cmb具有質(zhì)量體和基座之間的不同的極板面積S2。質(zhì)量體向上極板移動(dòng)而遠(yuǎn)離基座時(shí)，間距d2以?增加。?的值等于作用于質(zhì)量體的機(jī)械力Fm除以硅彈簧的彈簧常數(shù)k：

（7）

嚴(yán)格地說(shuō)，加速度計(jì)的等效電路只在靜電力不影響質(zhì)量體的位置時(shí)成立，也就是說(shuō)處于電容與Fm線性相關(guān)的情況。加速度計(jì)作為開(kāi)關(guān)電容式加法放大器的輸入電容時(shí)，輸出電壓取決于該電容的值，因而與作用力有關(guān)

（8）

在傳感器的電容發(fā)生小的變化時(shí)上式成立。加速度計(jì)的輸出也是溫度和電容失配的函數(shù)。建議在整個(gè)溫度范圍內(nèi)做校準(zhǔn)，并在信號(hào)處理過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)修正。另一個(gè)確保高穩(wěn)定性的有效方法，是設(shè)計(jì)自校準(zhǔn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用的是對(duì)上蓋或基座電極施加高電壓時(shí)，在加速度計(jì)組件內(nèi)產(chǎn)生的靜電力。

3. MEMS壓阻式加速度計(jì)

作為感應(yīng)組件，壓阻式加速度計(jì)由測(cè)量質(zhì)量體支撐彈簧內(nèi)的應(yīng)力的應(yīng)力計(jì)構(gòu)成。應(yīng)力可直接關(guān)聯(lián)到質(zhì)量體位移的大小和速率，因而也關(guān)聯(lián)到加速度。這些裝置能夠在寬的頻率范圍內(nèi)感應(yīng)加速度：從接近直流到13kHz。

通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，其可以承受高達(dá)10000g的過(guò)沖擊。當(dāng)然，其動(dòng)態(tài)范圍（量程）多少有些窄（1000g，誤差小于1%）。對(duì)很多應(yīng)用來(lái)說(shuō)過(guò)沖擊是關(guān)鍵指標(biāo)。由分立的、經(jīng)環(huán)氧樹(shù)脂粘合的應(yīng)力計(jì)構(gòu)成的壓阻式加速度計(jì)，會(huì)帶有不良的輸出溫度系數(shù)。因?yàn)槭欠謩e制造的，應(yīng)力計(jì)需要單獨(dú)的熱測(cè)試和參數(shù)匹配。這個(gè)麻煩在采用硅晶片的微機(jī)械加工技術(shù)的現(xiàn)代傳感器中可從根本上消除。

寬動(dòng)態(tài)范圍固態(tài)加速度計(jì)的一個(gè)例子示于圖9。由美國(guó)恩德福克/聯(lián)合信號(hào)航空航天公司研制。這個(gè)微型傳感器由三層硅制造。內(nèi)層或核心層包含慣性質(zhì)量和彈性鉸鏈。質(zhì)量體通過(guò)鉸鏈懸置在蝕刻出來(lái)的邊框之內(nèi)，鉸鏈的每一面都有壓阻式應(yīng)力計(jì)。應(yīng)力計(jì)探測(cè)與鉸鏈有關(guān)的運(yùn)動(dòng)。

兩個(gè)外層，基座和上蓋，保護(hù)移動(dòng)部分免受外部污損。兩個(gè)外層都有凹壁，使慣性質(zhì)量能夠自由移動(dòng)。這種傳感器具有多個(gè)重要特性。其中之一是感應(yīng)軸位于硅晶片的平面內(nèi)，與軸垂直于晶片的很多其它設(shè)計(jì)相反。由單一硅晶體制造該傳感器的所有部件，確保了機(jī)械完整性和可靠性。

沿感應(yīng)軸施加加速度時(shí)，慣性質(zhì)量圍繞鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)。質(zhì)量體的轉(zhuǎn)動(dòng)在鉸鏈兩面的一個(gè)應(yīng)力計(jì)上產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，在另一個(gè)上則產(chǎn)生張力。因?yàn)閼?yīng)力計(jì)很短，即使小的位移也會(huì)產(chǎn)生大的電阻變化。為調(diào)整壓阻電橋的零平衡，在同一芯片內(nèi)配置了五個(gè)調(diào)節(jié)電阻（圖中未顯示）。

圖 9. 一種壓阻式加速度計(jì)的剖視圖

4. MEMS壓電式加速度計(jì)

壓電效應(yīng)（不要把其與壓阻效應(yīng)混淆）天然地適用于感應(yīng)振動(dòng)和加速。此效應(yīng)是電偶極子構(gòu)成的晶體材料中機(jī)械能至電能的直接轉(zhuǎn)換。這些傳感器可工作于低至2Hz和高至5kHz的頻率，具有良好的偏軸噪聲抑制、高線性度和寬的工作溫度范圍（高達(dá)120℃）。

盡管石英晶體偶爾用于感應(yīng)組件，但最常用的則是陶瓷壓電材料，諸如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛（PZT），偏鈮酸鉛（lead metaniob-ate）。把晶體夾在容器和慣性質(zhì)量之間，后者的受力正比于加速度（圖10）。

小型傳感器內(nèi)通常采用硅結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣璨痪哂袎弘娞匦?，可在微機(jī)械加工制備的硅懸臂上淀積鈦酸鉛薄膜，制造集成微型傳感器。為獲得良好的頻率特性，壓電信號(hào)由電荷至電壓或電流至電壓變換器放大，通常將變換器與壓電晶體封裝在一起。

圖 10. 壓電式加速度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

加速度使容器相對(duì)于質(zhì)量體移動(dòng)，質(zhì)量體施加力于晶體。

輸出正比于加速度或振動(dòng)水平。

5. MEMS熱板式加速度計(jì)

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)加速度計(jì)的基本想法是測(cè)量慣性質(zhì)量的移動(dòng)，熱傳遞的基本方程可用于這種測(cè)量。和其它任何加速度計(jì)一樣，熱學(xué)加速度計(jì)也有慣性質(zhì)量，由薄的懸臂梁懸置在十分接近于散熱器的位置，或在兩個(gè)散熱器之間（圖11）。采用微機(jī)械加工技術(shù)制備質(zhì)量體和懸臂梁結(jié)構(gòu)。

這些部件之間的空間充滿熱傳導(dǎo)氣體。質(zhì)量體由表面淀積或嵌入的加熱器加熱至確定的溫度T1。在無(wú)加速度條件下，質(zhì)量體和散熱器之間建立熱平衡：由質(zhì)量體經(jīng)過(guò)氣體傳導(dǎo)至散熱器的熱量q1和q2是間隔M1和M2的函數(shù)。

圖 11. 熱學(xué)加速度計(jì)。

（a）加熱部分截面圖；

（b）一種加速度計(jì)設(shè)計(jì)（未顯示頂部）

我們假定在穩(wěn)態(tài)情況下，忽略輻射和對(duì)流熱傳遞。支撐慣性質(zhì)量的懸臂梁中任意點(diǎn)的溫度取決于其與支撐點(diǎn)的距離x，以及和散熱器的間距。可由下式得出

（9）

其中

（10）

其中Kg和Ksi分別是氣體和硅的熱導(dǎo)率，D是懸臂梁的厚度。在散熱器溫度為0的邊界條件下，由上方程得出梁的溫度的解為

（11）

其中W和L是梁的寬度和長(zhǎng)度，P是熱功率。要測(cè)量該溫度，可在梁上淀積溫度傳感器?？赏ㄟ^(guò)把硅二極管集成到梁內(nèi)實(shí)現(xiàn)，或在梁表面形成串接的熱電偶（溫差電堆）。最后，測(cè)得的電信號(hào)形式的懸臂梁溫度，就是對(duì)加速度的測(cè)量。熱學(xué)加速度計(jì)的靈敏度（每g大約1%的輸出信號(hào)變化）多少小于電容式或壓阻式類型的靈敏度；不過(guò)其對(duì)環(huán)境溫度或電磁場(chǎng)和靜電噪聲之類的干擾的敏感性很小。

6. MEMS加熱氣體式加速度計(jì)

另一種有意思的加速度計(jì)利用氣體作為慣性質(zhì)量。加熱氣體加速度計(jì)（HGA）由美新半導(dǎo)體公司（MEMSIC Corporation）研發(fā)。該傳感器通過(guò)微機(jī)械加工在CMOS芯片上制造，是真正雙軸的運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。這個(gè)裝置的工作原理基于強(qiáng)制對(duì)流的熱傳遞。熱可由傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射傳遞。對(duì)流可以是自然的（由重力引起）或強(qiáng)制的（通過(guò)施加人工的外部力，比如由吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的）。

在HGA中，這種力由加速度產(chǎn)生。傳感器測(cè)量空腔氣體熱傳遞的內(nèi)部變化。傳感器在功能上相當(dāng)于常規(guī)的慣性質(zhì)量加速度計(jì)。在此傳感器中的慣性質(zhì)量是具有熱不均勻性的氣體。氣態(tài)慣性質(zhì)量具有一些優(yōu)于采用常規(guī)固態(tài)慣性質(zhì)量的特點(diǎn)。最重要的優(yōu)點(diǎn)是抗沖擊能力高達(dá)50000g，使故障率大大降低。

該傳感器由連接密封空腔的微機(jī)械加工平板構(gòu)成，空腔內(nèi)充滿氣體。平板有蝕刻形成的凹腔（溝槽）。位于硅晶片中心的單個(gè)熱源懸置于溝槽之上（圖12）。四個(gè)等間距分布的溫度傳感器，是由串聯(lián)熱電偶構(gòu)成的鋁/多晶硅熱電堆（TP）。這些TP等距置于熱源的四邊（雙軸）。請(qǐng)注意TP只測(cè)量溫度梯度，所以左側(cè)和右側(cè)的TP實(shí)際上是一個(gè)TP，其中左側(cè)部分是“冷”結(jié)位置，右側(cè)部分則是“熱”結(jié)位置。用熱電堆代替熱電偶只有一個(gè)目的——增加輸出電信號(hào)。另一對(duì)結(jié)用于測(cè)量沿y軸的溫度梯度。

圖 12. HGA傳感器沿x軸的截面圖。

（a）加熱氣體圍繞加熱器對(duì)稱分布；

（b）加速度致使加熱氣體向右移動(dòng)，產(chǎn)生溫度梯度

圖 13. 熱學(xué)加速度計(jì)（HGA）的靈敏度與環(huán)境溫度的關(guān)系

零加速度時(shí)，整個(gè)氣體空腔的溫度分布對(duì)稱于熱源，因而所有四個(gè)TP結(jié)的溫度相同，使得每對(duì)都輸出零電壓。加熱器升溫至遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境的溫度，通常為接近200℃。圖12a示意沿其中一個(gè)軸感應(yīng)溫度梯度的兩個(gè)熱電堆結(jié)（TP）。

氣體被加熱后，靠近加熱器的地方最熱，接近左和右溫度傳感器（熱電堆結(jié)）處的溫度迅速下降。沒(méi)有力作用于氣體時(shí)，溫度在加熱器周圍以圓拱形對(duì)稱分布，左側(cè)TP的溫度T1等于右側(cè)TP的溫度T2。任何方向的加速度會(huì)擾亂這種溫度分布，由于對(duì)流熱傳遞，導(dǎo)致溫度出現(xiàn)非對(duì)稱分布。

圖12b表示施加沿箭頭方向的加速度a。受加速力的影響，熱的氣態(tài)分子向右側(cè)TP移動(dòng)，向其傳遞其中包含的一部分熱能。相對(duì)TP結(jié)的溫度就會(huì)出現(xiàn)差異，即T1<T2，因而電壓輸出也會(huì)出現(xiàn)差異。

溫度差?T以及由此產(chǎn)生的熱電堆輸出端電壓都正比于加速度。此裝置上有兩個(gè)相同的加速度信號(hào)途徑，一個(gè)是測(cè)量x軸的加速度，一個(gè)是測(cè)量y軸的加速度。

HGA能夠以低于±1.0g到超過(guò)±100g的滿量程范圍來(lái)測(cè)量加速度。它可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度（比如振動(dòng)）和靜態(tài)加速度（比如重力）。芯片的模擬輸出電壓能以絕對(duì)值和比率模式獲得。絕對(duì)值輸出電壓與電源電壓無(wú)關(guān)，而比率輸出電壓與電源電壓成正比。其典型的本底噪聲低于1mg/Hz，能夠在很低頻率下測(cè)量亞毫克信號(hào)。其頻率響應(yīng)或測(cè)量快速變化的加速度的能力由設(shè)計(jì)確定。典型情況下，-3dB滾降發(fā)生在大于30Hz時(shí)，但可由補(bǔ)償擴(kuò)展至超過(guò)160Hz。

需要注意的是，對(duì)于HGA傳感器，輸出靈敏度隨環(huán)境溫度而變化。靈敏度的改變示于圖13。為了對(duì)這個(gè)變化進(jìn)行補(bǔ)償，嵌入式溫度傳感器（RTD）或晶片上的硅結(jié)可作為溫度補(bǔ)償傳感器。

7. 單片式硅陀螺儀

雖然機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀在很多年里都是僅有的可用選擇，但正是其工作原理，使其不適合于設(shè)計(jì)很多現(xiàn)代應(yīng)用中需要的小型單體集成式傳感器。常規(guī)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀包括諸如平衡環(huán)、支撐軸承、電機(jī)和轉(zhuǎn)子等部件，這些部件需要精密加工和組裝；這些結(jié)構(gòu)特性限制了常規(guī)機(jī)械陀螺儀向低成本裝置的發(fā)展。

運(yùn)行期間電機(jī)和軸承的磨損，意味著這種陀螺儀只能在有限數(shù)量的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)滿足其性能指標(biāo)。如今已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了其它用于感應(yīng)方向和速度的方法。通常GPS會(huì)是理想選擇。然而在諸如太空、水下、隧道內(nèi)、建筑物里，或尺寸和成本至關(guān)重要時(shí)，GPS就毫無(wú)用處了。

MEMS微機(jī)械加工技術(shù)的應(yīng)用，能夠設(shè)計(jì)出用振動(dòng)組件代替旋轉(zhuǎn)盤的微型陀螺儀。這種設(shè)計(jì)利用了電子工業(yè)開(kāi)發(fā)出來(lái)的技術(shù)，十分適合于大規(guī)模制造。此外，振動(dòng)陀螺儀更具有魯棒性，能夠承受眾多軍事和航空航天應(yīng)用的典型環(huán)境特點(diǎn)。

所有振動(dòng)陀螺儀都依賴于科里奧利加速度現(xiàn)象?？评飱W利效應(yīng)是一種慣性力，是十九世紀(jì)法國(guó)工程師兼數(shù)學(xué)家古斯塔夫-加斯帕爾·科里奧利于1835年闡述的?？评飱W利指出，如果把物體運(yùn)動(dòng)的一般牛頓定律用于旋轉(zhuǎn)參照系，一種慣性力——對(duì)于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的參照系，該力向物體運(yùn)動(dòng)方向的右側(cè)作用，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)則向左側(cè)作用——必須包括在運(yùn)動(dòng)方程之中。

物體在參照系中做直線運(yùn)動(dòng)，參照系則圍繞垂直于運(yùn)動(dòng)直線的軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)即出現(xiàn)物體的科里奧利加速度。此時(shí)產(chǎn)生的正比于轉(zhuǎn)動(dòng)速度的加速度，出現(xiàn)在垂直于包含其它兩軸的平面的第三軸（圖15a）。在微機(jī)械加工陀螺儀中，旋轉(zhuǎn)由振動(dòng)替代，產(chǎn)生能夠測(cè)量的、與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的加速度。取代傳統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺儀中按圓形軌跡旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量體的，是能夠懸置并且以簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)做直線移動(dòng)的質(zhì)量體。

構(gòu)建振動(dòng)陀螺儀有幾個(gè)實(shí)用方法，不過(guò)所有這些方法都能歸類至下列三個(gè)原理類型：

1. 簡(jiǎn)單振蕩器（弦、梁上的質(zhì)量體）

2. 平衡振蕩器（音叉式）

3. 殼體諧振器（酒杯式，圓柱狀，圓環(huán)）

所有三個(gè)類別都已應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計(jì)。

圖 14. 振動(dòng)速率式陀螺儀概念圖

首次出現(xiàn)的此類裝置之一，是由扭轉(zhuǎn)屈曲部分支撐的雙平衡架結(jié)構(gòu)（圖14）。平衡架由底切形成，在有效區(qū)域內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，通過(guò)相距很近的電極產(chǎn)生的靜電扭矩，以恒定幅度驅(qū)動(dòng)起到“馬達(dá)”作用的外平衡架。這種振動(dòng)沿內(nèi)部扭轉(zhuǎn)屈曲的剛性軸傳遞至內(nèi)平衡架，使慣性組件建立起振蕩動(dòng)量矢量。在垂直于裝置平面存在旋轉(zhuǎn)角速度時(shí)，科里奧利力將引起內(nèi)平衡架圍繞其弱軸發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)的頻率等于驅(qū)動(dòng)頻率，振動(dòng)的幅度正比于慣性輸入速率。

以內(nèi)平衡架的諧振頻率驅(qū)動(dòng)外平衡架時(shí)，得到最大分辨率。輸出運(yùn)動(dòng)的讀出，通過(guò)確定內(nèi)平衡架和一對(duì)電極之間的電容值的不同變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。開(kāi)環(huán)工作時(shí)，內(nèi)平衡架圍繞輸出軸的角位移正比于輸入速率。即輸出角Q正比于慣性比例項(xiàng)、驅(qū)動(dòng)角?0、力學(xué)特性Q和輸入速率Ω。反比于驅(qū)動(dòng)頻率ωn。

（12）

在實(shí)際應(yīng)用中，裝置以閉環(huán)工作，內(nèi)平衡架在相位和正交分量上都會(huì)重新平衡至零。

新近的一種也屬于第三類別的設(shè)計(jì)，由英國(guó)宇航系統(tǒng)公司與其合作者住友精密工業(yè)有限公司研發(fā)。

此設(shè)計(jì)基于在硅中經(jīng)微機(jī)械加工制備的環(huán)形諧振器。硅具有出色的機(jī)械特性，特別是在晶體狀態(tài)時(shí)，硅具有7GPa的斷裂容限，高于絕大多數(shù)鋼材。再加上其2330kg/m3的低密度，就成為以自身重量而言十分堅(jiān)固的材料。

陀螺儀諧振器由晶體硅材料蝕刻而成。這可確保諧振器的性能在使用期限和環(huán)境內(nèi)保持穩(wěn)定。平面振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)在一個(gè)平面內(nèi)就具有全部的振動(dòng)能量。由此，在角速度下，不存在由一個(gè)晶面至另一個(gè)的耦合振動(dòng)，所以振動(dòng)參量相對(duì)于溫度十分穩(wěn)定。

圖 15. （a）科里奧利加速度；

（b）微機(jī)械加工制備的振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)；

（c~f）加速度對(duì)環(huán)的振動(dòng)模式的影響

為了使諧振器正確運(yùn)作，必須以使其盡可能自由振動(dòng)的方式進(jìn)行支撐。感應(yīng)組件示于圖15b。諧振器包含一個(gè)6mm的硅環(huán)，由八個(gè)放射狀分布的柔性輪輻支架支撐，輪輻支架固定在10×10mm的支撐框架上。帶電導(dǎo)體只在上表面淀積和圖形化制備，用于導(dǎo)線鍵合的引腳位于外支撐框架。

芯片經(jīng)陽(yáng)極化鍵合至與硅熱匹配的支撐玻璃結(jié)構(gòu)。有八個(gè)完全相同的導(dǎo)電回路，每個(gè)遵循的路徑為：連線引腳-沿支架的長(zhǎng)度-繞過(guò)環(huán)的1/8部分-沿下一個(gè)支架的長(zhǎng)度-下一個(gè)連線引腳。這樣每個(gè)支架包含兩條導(dǎo)線，各在相鄰回路，此外還有位于前兩條導(dǎo)線之間的第三條導(dǎo)線，用于使電容耦合最小化。諧振器可由任何合適的換能器激發(fā)進(jìn)入振動(dòng)。例如借助于光、熱膨脹、壓電、靜電或電磁等各種效應(yīng)都能起作用。激發(fā)作用可加至攜帶諧振器的支撐結(jié)構(gòu)，或直接加至諧振器本身。其基本振動(dòng)模式在14.5kHz。

圖15c～f表示直線加速度和角加速度對(duì)諧振器的影響。圖15c表示無(wú)加速度條件下的側(cè)視圖，圖15d表示z軸直線加速度的影響，圖15e表示圍繞y軸的角加速度的影響，圖15f表示圍繞x軸的角加速度的影響。因?yàn)榄h(huán)的位置相對(duì)于框架發(fā)生改變，所需要的就是與位移相結(jié)合的檢測(cè)變換器，以探測(cè)諧振器的特定移動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)諧振器振動(dòng)的感應(yīng)可由工作于電磁式、電容式、光學(xué)式、壓電式的變換器實(shí)現(xiàn)，或利用應(yīng)力計(jì)實(shí)現(xiàn)。這里介紹的這個(gè)特殊設(shè)計(jì)中，利用了帶有磁場(chǎng)的圖形化制備的導(dǎo)電回路實(shí)現(xiàn)的電磁式拾波，該磁場(chǎng)垂直于環(huán)的平面。由釤鈷磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)則封裝在標(biāo)準(zhǔn)的IC圓形密封金屬殼內(nèi)。

8. MEMS觸覺(jué)傳感器

微型觸覺(jué)傳感器是機(jī)器人領(lǐng)域特別急需的產(chǎn)品，該領(lǐng)域需要好的空間分辨率、高靈敏度和寬的動(dòng)態(tài)范圍。硅的塑性形變特性可用于制造具有力學(xué)回滯的閾值式觸覺(jué)傳感器。在一種設(shè)計(jì)中，利用了經(jīng)晶片鍵合形成的密閉空腔中封存氣體的膨脹，使在空腔上鍵合形成球狀蓋子的薄硅膜發(fā)生塑性形變。圖16所示的結(jié)構(gòu)由硅晶片的微機(jī)械加工技術(shù)制造。在常規(guī)室溫和高于臨界力時(shí)，上電極會(huì)向下彎曲，與下電極接觸。

圖 16. 微機(jī)械加工制造的帶有俘獲氣體的硅閾值開(kāi)關(guān)

試驗(yàn)已表明，這種開(kāi)關(guān)在接近13psi壓力的閉合動(dòng)作時(shí)具有大約2psi的回滯。開(kāi)關(guān)的閉合電阻為10kΩ量級(jí)，對(duì)于超低功耗電路通常已足夠低了。

圖 17. 真空二極管式力傳感器原理圖

另一種設(shè)計(jì)中，微型空腔內(nèi)是真空而不是壓縮氣體。示于圖17的這種傳感器具有硅真空結(jié)構(gòu)，帶有冷場(chǎng)發(fā)射陰極和可動(dòng)的隔膜陽(yáng)極。陰極是一個(gè)尖銳的硅尖端。在尖端和陽(yáng)極之間施加正電勢(shì)時(shí)，其間產(chǎn)生電場(chǎng)，如果電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)5×107V/cm，電子可經(jīng)隧穿從陰極內(nèi)部到達(dá)真空中。尖端的場(chǎng)強(qiáng)和電子發(fā)射的數(shù)量（發(fā)射電流）由陽(yáng)極電勢(shì)控制。施加外力時(shí)，陽(yáng)極向下彎曲，因而改變電場(chǎng)和發(fā)射電流。

發(fā)射電流可通過(guò)陽(yáng)極電壓V由下式表示

（13）

其中a和b是常數(shù)，β是尖端的幾何因子，取決于陽(yáng)極和陰極之間的距離。要獲得較好的靈敏度，可把尖端做成具有大約0.02μm的曲率半徑。

9. MEMS壓阻式壓力傳感器

要制造壓力傳感器，需要有兩個(gè)基本部件。它們是已知面積為A的平板（膜），和對(duì)施加的力F作出響應(yīng)的探測(cè)器。這兩種部件都可由硅制造。硅膜壓力傳感器包括作為彈性材料的薄硅膜，和經(jīng)由雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)膜制成的壓阻測(cè)量電阻。多虧了單晶硅的杰出彈性特性，即使在強(qiáng)的靜態(tài)壓力下，也幾乎不會(huì)有蠕變和遲滯發(fā)生。硅的應(yīng)變系數(shù)比薄金屬導(dǎo)體大很多倍。通常把應(yīng)變測(cè)量電阻做成惠斯登電橋連接。這種電路的滿量程輸出在幾百毫伏量級(jí)；因而需要信號(hào)調(diào)節(jié)器把輸出轉(zhuǎn)換成可接受的規(guī)格。另外硅電阻表現(xiàn)出很強(qiáng)的溫度敏感性，所以需要或者把壓阻做成帶溫度補(bǔ)償?shù)?，或者信?hào)調(diào)節(jié)電路包含溫度補(bǔ)償部分。

施加壓力至具有初始電阻R的半導(dǎo)體電阻時(shí)，壓阻效應(yīng)導(dǎo)致電阻值的變化?R：

（14）

其中π1和πt分別是縱向和橫向的壓阻系數(shù)?？v向和橫向的應(yīng)力表示為σ1和σt。π系數(shù)取決于電阻在硅晶體上的走向。因此，對(duì)于如圖18所示的在具有（100）晶面的n型硅的邊緣或方形膜上，沿<110>晶向制備的p型擴(kuò)散電阻，該系數(shù)可近似表示為

（15）

圖 18. 壓電電阻在硅膜上的位置

電阻率的變化正比于作用應(yīng)力，因而也正比于外加壓力。膜上的電阻制備的方式使其具有相反極性的縱向和橫向系數(shù)，因而電阻以相反的方向變化：

（16）

把R1和R2接入半橋電路并用E激發(fā)電橋時(shí)，輸出電壓為

（17）

由此，取偏導(dǎo)數(shù)可得出壓力靈敏度ap和電路的溫度靈敏度bT：

（18）

（19）

因?yàn)?π44/?T是負(fù)值，所以靈敏度的溫度系數(shù)是負(fù)的，即溫度升高時(shí)靈敏度下降。

能夠用于硅壓力傳感器加工的制造方法有幾種。其中一個(gè)方法采用的初始材料是（100）晶面的n型硅襯底。采用硼離子注入制備表面雜質(zhì)濃度為3×1018cm-3的壓電電阻。其中之一（R1）平行于膜的<110>晶向，另一個(gè)則垂直。其它外圍部件，比如用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娮韬蚿n結(jié)，也在與壓電電阻相同的注入工序中制備。這些部件位于圍繞膜的厚的邊緣區(qū)域。因而它們對(duì)施加于膜的壓力不敏感。

圖 19. 摩托羅拉MPX壓力傳感器的無(wú)補(bǔ)償壓阻組件的

基本結(jié)構(gòu)

圖19所示的摩托羅拉MPX壓力傳感器芯片采用了另一種應(yīng)力感應(yīng)的方法。構(gòu)成應(yīng)力測(cè)量的壓電電阻在薄硅膜上采用離子注入制備。激發(fā)電流縱向通過(guò)電阻的1和3引腳，使膜承受應(yīng)力的壓力以與電流路徑成直角的方向施加。應(yīng)力在電阻內(nèi)形成橫向電場(chǎng)，在2和4引腳處感應(yīng)為電壓。這種單組件橫向電壓應(yīng)力測(cè)量可看成是霍爾效應(yīng)器件的機(jī)械模擬。采用單組件，避免了需要嚴(yán)密匹配構(gòu)成惠斯登電橋設(shè)計(jì)的四個(gè)應(yīng)力和溫度敏感電阻的麻煩。同時(shí)也極大地簡(jiǎn)化了完成校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償所需的附加電路。不過(guò)單組件應(yīng)力測(cè)量在電特性上可類比于電橋電路。其平衡（偏移）不取決于電阻的匹配，如常規(guī)電橋的情況，而是取決于橫向電壓引腳對(duì)齊的程度。

可用常用的硅蝕刻劑之一制備具有1mm2面積尺寸的薄膜片，例如聯(lián)氨水溶液（N2H4×H2O）各向異性蝕刻劑。SiO2或Si3N4層作為蝕刻掩膜和晶片底面的保護(hù)層。在90℃的回流溶液中其蝕刻速率為1.7μm/min。最終得到的膜片厚度為30μm。

膜片制備的另一種方法基于硅熔融鍵合（SFB），其中單晶硅片能夠在不需要過(guò)渡層的情況下以近乎完美的界面可靠鍵合。這種技術(shù)能夠用于制造很小的傳感器，可用于醫(yī)學(xué)活體檢測(cè)的導(dǎo)管尖端探測(cè)器。其總的芯片面積可以做到常規(guī)硅膜片壓力傳感器的八分之一。這種傳感器包括兩部分——底部晶片和上部晶片（圖20a）。底部約束晶片（襯底）首先經(jīng)各向異性蝕刻出所需膜片尺寸的方孔。底部晶片的厚度大約0.5mm，膜片的邊長(zhǎng)為250μm，所以各向異性蝕刻形成的金字塔形凹坑的深度約為175μm。下一步是與由帶有n型外延層的p型襯底構(gòu)成的上部晶片經(jīng)SFB鍵合。外延層厚度對(duì)應(yīng)于所需膜片的最終厚度。然后通過(guò)受控蝕刻工序去除上部晶片的本體，留下鍵合的單晶硅層，形成傳感器的膜片。下一步經(jīng)離子注入形成電阻，經(jīng)蝕刻形成連線。在最后的步驟中，把約束晶片背面經(jīng)研磨和拋光至器件所需的厚度，約為140μm。盡管SFB芯片的尺寸是常規(guī)芯片的大約一半大，但它們的壓力靈敏度是完全相同的。常規(guī)和SFB技術(shù)的比較如圖20b所示。在相同膜片尺寸和相同芯片總厚度下，SFB器件要小大約50%。

圖 20. （a）硅熔融鍵合方法的硅膜制備工序；

（b）SFB芯片尺寸與常規(guī)制備膜片的比較

在很多傳感器中，壓阻式傳感器的膜片（薄膜）通常很薄，在1μm的量級(jí)；因而其機(jī)械特性是最大施加壓力的限制因素。在壓力很高的應(yīng)用中，硅膜要直接承受這樣的壓力顯然過(guò)于脆弱。所以需要采用過(guò)渡壓力板使施加于硅膜的壓力等比例減小。例如汽車制造業(yè)用于測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)引擎的壓力的情況，其溫度達(dá)2000℃，壓力會(huì)超過(guò)200巴，這時(shí)要使用與減壓板封裝在一起的特殊傳感器。這種封裝可以按比例較小壓力，并保護(hù)芯片不受惡劣環(huán)境影響。圖21示意一種封裝，其中帶有微機(jī)械加工硅膜的壓力感應(yīng)芯片置于鋼板上部。高壓使承載硅凸臺(tái)的鋼板中心部分發(fā)生相對(duì)較小位移的彎曲。凸臺(tái)經(jīng)機(jī)械耦合至硅膜，使其向上彎曲，導(dǎo)致壓電電阻電橋失衡。

圖 21. 用于測(cè)量高壓的位于鋼殼內(nèi)的壓阻芯片

圖 22. 絕對(duì)值（a）和差值（b）壓力傳感器封裝

通常可用三種基本結(jié)構(gòu)制造壓力傳感器，分別能夠測(cè)量絕對(duì)值、差值和表壓值。絕對(duì)壓力，比如大氣壓，以真空腔為參照進(jìn)行測(cè)量。真空腔可以是外部的，也可以直接做在傳感器中（圖22a）。壓差，比如壓差式流量計(jì)中的壓力下降，通過(guò)同時(shí)在膜的反面施加壓力來(lái)進(jìn)行測(cè)量。表壓則是相對(duì)于某種參考?jí)毫M(jìn)行測(cè)量。一個(gè)例子是ABP（arterial blood pressure，動(dòng)脈血壓）測(cè)量，是相對(duì)于大氣壓力進(jìn)行的測(cè)量。因而表壓是壓差的特例。對(duì)三種方式來(lái)說(shuō)膜和應(yīng)力測(cè)量設(shè)計(jì)是一樣的，使它們不同的是封裝。例如，要制造壓差或表壓傳感器，把硅芯片模塊置于腔室內(nèi)，腔室在模塊的兩側(cè)有兩個(gè)開(kāi)孔（圖22b）。為了保護(hù)部件免受惡劣環(huán)境影響，外殼內(nèi)充滿硅凝膠，其與焊線和模塊表面絕緣，但壓力信號(hào)能夠耦合至硅膜。差值傳感器可結(jié)合于各種承載支撐結(jié)構(gòu)中（圖23）。某些應(yīng)用，諸如熱水錘、腐蝕性流體和稱重元件，需要進(jìn)行物理隔離，并以液壓耦合至芯片載體的封裝。這可通過(guò)如圖23中示例的附加膜、板和波紋管實(shí)現(xiàn)。不論何種情況，都可在空氣腔室中注入硅油，比如道康寧DS200，從而使系統(tǒng)的頻率響應(yīng)不會(huì)變差。

圖 23. 壓力傳感器封裝的例子

圖 24. 壓阻式壓力傳感器的溫度特性。

（a）三個(gè)不同溫度的傳遞函數(shù)；

（b）三種補(bǔ)償電阻數(shù)值的滿量程誤差

所有硅基傳感器都具有溫度相關(guān)特性。由公式（19）定義的溫度靈敏度系數(shù)bT通常是負(fù)值，為了精確的壓力感應(yīng)，必須對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)，傳感器的輸出電壓是如圖24a所示的三個(gè)不同溫度下的情形。

很多應(yīng)用中，可通過(guò)給傳感器增加一個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的溫度穩(wěn)定電阻，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但有效的溫度補(bǔ)償。經(jīng)由選擇合適的電阻值，傳感器的輸出能夠調(diào)整到所需的工作范圍（圖24b）。當(dāng)需要在較寬范圍達(dá)到更好的溫度修正時(shí)，可利用帶有溫度探測(cè)器的更為復(fù)雜的補(bǔ)償電路。一個(gè)可行的選項(xiàng)是軟件補(bǔ)償，其中壓力變換器的溫度由嵌入式溫度傳感器測(cè)量。壓力和溫度傳感器兩者的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至處理電路，用數(shù)字計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)值補(bǔ)償。不過(guò)最佳方案仍然是在傳感器中設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償硅橋。

10. 壓力梯度技術(shù)用于流量傳感器

流體力學(xué)中的一個(gè)基本公式是伯努利方程。伯努利原理以荷蘭-瑞士數(shù)學(xué)家丹尼爾·伯努利的名字命名，他在1738年出版的著作《流體動(dòng)力學(xué)》中闡明了他的理論。伯努利方程只在無(wú)粘性、不可壓縮媒質(zhì)的靜態(tài)流動(dòng)情況下完全成立

（20）

其中p是流管中的壓力，g=9.80665m/s2是重力常數(shù)，ρ是流體密度，y是位移媒質(zhì)的高度。伯努利方程使我們能通過(guò)測(cè)量流動(dòng)方向的壓力來(lái)確定流體速度va。

圖 25. 兩種類型的流阻：窄通道（a）和多孔塞（b）

流量測(cè)量的壓力梯度技術(shù)的基本要求是引入流阻。測(cè)量已知流阻器形成的壓力梯度即能夠計(jì)算出流速。這個(gè)概念類似于歐姆定律：定值電阻兩端的電壓（壓力）正比于電流（流量）。實(shí)際應(yīng)用中，形成流動(dòng)阻力的扼流組件是孔、多孔塞和文丘里管（錐狀管）。圖25表示兩種類型的流阻。第一種類型是通道中的狹窄部分，另一種類型是一定程度上限制媒質(zhì)流動(dòng)的多孔塞。壓差傳感器置于流阻器兩端。移動(dòng)質(zhì)量進(jìn)入較高阻力區(qū)時(shí)，其速度的增加正比于阻力的增加：

（21）

假定兩個(gè)壓力的測(cè)量在同一高度（y=0）進(jìn)行，通常都是這種情況。由伯努利方程得出壓差為

（22）

其中k是校正系數(shù)，之所以需要這個(gè)系數(shù)，是因?yàn)閴毫2的實(shí)際值稍微低于理論值。由公式（22）可計(jì)算出平均速率為

（23）

要確定單位時(shí)間的質(zhì)量流速，對(duì)于不可壓縮媒質(zhì)，公式（23）簡(jiǎn)化為

（24）

其中ξ是標(biāo)度系數(shù)，由校準(zhǔn)確定。因?yàn)棣沃翟诓煌瑴囟认驴赡懿煌?zhǔn)要在指定的液體或氣體下在整個(gè)工作溫度范圍進(jìn)行。由上可知，壓力梯度傳感器的基本架構(gòu)是或者采用一個(gè)壓差傳感器，或者采用兩個(gè)絕對(duì)值壓力傳感器。如果需要輸出信號(hào)的線性表示，必須求解平方根。求根計(jì)算可由微處理器采用常規(guī)計(jì)算技術(shù)之一完成。壓力梯度方法的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有移動(dòng)部件和使用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器。缺點(diǎn)是阻力裝置限制了流動(dòng)。

圖 26. 采用電容式壓力傳感器的

氣體微流量傳感器結(jié)構(gòu)

利用電容式壓力傳感器可構(gòu)成如圖26所示的微流量傳感器。這種傳感器的工作原理基于壓力梯度技術(shù)。傳感器的制造采用硅微機(jī)械加工技術(shù)和濃硼自停止腐蝕技術(shù)形成其結(jié)構(gòu)。氣體以壓力p1經(jīng)由進(jìn)口進(jìn)入傳感器的外罩內(nèi)，在硅平板周圍建立起相同的壓力，包括蝕刻膜的外側(cè)。氣流通過(guò)具有相對(duì)較高壓阻的狹窄通道進(jìn)入微傳感器的腔室。因此腔室內(nèi)的壓力p2低于p1，從而產(chǎn)生膜兩側(cè)的壓差。所以就可由公式（23）計(jì)算出流速。

壓差導(dǎo)致膜的偏移，由電容式壓力傳感器進(jìn)行測(cè)定。帶有應(yīng)力補(bǔ)償?shù)摹抑糜诮饘侔迳戏降膒2+硼摻雜硅薄膜形成電容Cx。壓差改變金屬板和硅結(jié)構(gòu)之間的電容Cx，其分辨率在最高壓力大約4托時(shí)為1毫托/1fF。此傳感器的總體分辨率接近14～15位，壓力測(cè)量的精度約為9～10位。在接近滿量程壓差的兩倍時(shí)，膜接觸到金屬板，因而需要有介電層防止電氣短路，襯底玻璃板則用于防止膜破裂。采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)，可把電容測(cè)量電路（見(jiàn)圖8）集成到硅平板中。

11. 熱傳輸式微流量傳感器

在諸如精密半導(dǎo)體制造、化學(xué)和制藥工業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)工程等的過(guò)程控制應(yīng)用中，越來(lái)越頻繁地用到微型化的氣流傳感器。其中大多數(shù)工作于熱傳輸?shù)姆绞剑⒉捎肕EMS加工技術(shù)由硅晶體制造。許多微流量傳感器采用溫差電堆作為溫度傳感器。

圖 27. 微機(jī)械加工制造的氣流傳感器

微流量傳感器的一種懸臂式設(shè)計(jì)示于圖27中。懸臂的厚度可以低至2μm。懸臂做成了夾心形式，包括場(chǎng)氧化層、CVD氧化物層和氮化層。通過(guò)給嵌入式電阻施加電功率，以26K/mW的速率加熱懸臂式傳感器，這種流量傳感器的典型傳遞函數(shù)具有大約4mV(/m/s)的負(fù)斜率。

從傳感器帶走熱量的方式有三種：通過(guò)懸臂的傳導(dǎo)Lb，氣流h(v)，以及熱輻射，滿足斯忒藩-玻耳茲曼定律：

（25）

其中σ是斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，a是由懸臂向氣體發(fā)生熱傳輸?shù)拿娣e，v是氣體速率。根據(jù)能量和粒子守恒原理，我們導(dǎo)出滿足傳感器表面附近氣流溫度分布T(x，y)的一般性熱傳輸方程

y>0

（26）

其中n是氣體密度，cp是分子氣體容積，kg是氣體的熱導(dǎo)率。在遠(yuǎn)離表面時(shí)不存在溫度梯度的邊界條件下，可得出上方程的解為

（27）

其中V是輸入電壓，B是常數(shù)，μ=Lvcncp/2πKg，L是氣體傳感器的接觸長(zhǎng)度。此解與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得相當(dāng)好。

圖 28. （a）采用自加熱鈦電阻傳感器設(shè)計(jì)的

氣體微流量傳感器；

（b）接口電路。

Ru和Rd分別是上游和下游加熱器的阻值

另一種熱傳輸微型傳感器的設(shè)計(jì)示于圖28a，其中具有0.1μm厚度的鈦膜制成溫度傳感器兼加熱器。膜夾在兩個(gè)SiO2層之間。之所以用鈦是因?yàn)槠涓叩碾娮铚囟认禂?shù)（TCR）和與SiO2的極好的附著性。兩個(gè)微加熱器由相互距離20μm的四個(gè)硅梁懸置。鈦膜的阻值大約為2kΩ。圖28b表示用于這種傳感器的接口電路圖，其流量與輸出電壓的變化?V之間呈現(xiàn)幾乎線性的關(guān)系。

12. MEMS熱電堆式光傳感器

熱電堆屬于PIR（passive-infrared，被動(dòng)紅外）探測(cè)器類別。其工作原理與熱電偶相同。單個(gè)的熱電偶是低靈敏度器件，每1℃變化的響應(yīng)為數(shù)十微伏。對(duì)于熱輻射傳感器，感應(yīng)組件暴露于物體時(shí)的溫度變化很小——低至0.001℃。因而需要更大的傳感器響應(yīng)。這可由增加熱電偶的數(shù)量使其成為熱電堆（堆垛）來(lái)實(shí)現(xiàn)。熱電堆是一串串聯(lián)相接的熱電偶，通常為50～100個(gè)結(jié)點(diǎn)。在恰當(dāng)?shù)倪B接和使用時(shí)，這種熱電偶串可使信號(hào)增強(qiáng)50～100倍。起初它是焦耳為增加熱電傳感器的輸出信號(hào)而發(fā)明出來(lái)的。他把幾個(gè)熱電偶串接在一起，把“熱”結(jié)點(diǎn)熱合連接在一起。如今的熱電堆具有不同的結(jié)構(gòu)。其主要應(yīng)用是中和遠(yuǎn)紅外頻譜范圍的光的熱探測(cè)。

圖 29. （a）用于探測(cè)熱輻射的熱電堆的等效結(jié)構(gòu)圖，

其上有嵌入的基準(zhǔn)溫度傳感器，x和y是不同材料；

（b）微機(jī)械加工制備的熱電堆傳感器。

注意半導(dǎo)體基準(zhǔn)溫度傳感器位于淀積冷結(jié)的硅框架上，

吸收涂層則在膜中心的熱結(jié)上；

（c）采用TO-5封裝的傳感器外觀

熱電堆的等效結(jié)構(gòu)圖示于圖29a。該傳感器包括具有相對(duì)較大熱質(zhì)量的框架，“冷”結(jié)位于其上。該框架可以與基準(zhǔn)溫度傳感器熱耦合，或附著于具有精確已知溫度的恒溫器?？蚣苤沃∧?，由于幾何結(jié)構(gòu)的原因薄膜的熱容很小。受到熱輻射時(shí)，很小的熱容會(huì)產(chǎn)生較大的溫度增加。膜的表面承載熱電偶的“熱”結(jié)?！盁帷焙汀袄洹钡恼f(shuō)法是傳統(tǒng)熱電偶術(shù)語(yǔ)的殘余，用在這里是有條件的，因?yàn)檫@些結(jié)實(shí)際上不會(huì)真的冷或熱。

紅外光被膜吸收或由膜發(fā)射，作為反應(yīng)，膜的溫度發(fā)生變化。因?yàn)槟こ休d著“熱”結(jié)，相對(duì)于框架上的“冷”結(jié)的溫度差導(dǎo)致溫差電壓。膜溫度的增加取決于熱容、至框架的熱導(dǎo)率和紅外光的強(qiáng)度。

熱電堆的優(yōu)良性能以高靈敏度和低噪聲為特點(diǎn)，這可通過(guò)采用具有高熱電系數(shù)a、低熱導(dǎo)率和低的體電阻率的結(jié)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，“熱”結(jié)和“冷”結(jié)對(duì)需要有相反符號(hào)的熱電系數(shù)。由此確定了材料的選擇。遺憾的是，大多數(shù)具有低電阻率的金屬（金、銅和銀）的熱電系數(shù)很差。電阻率較高的金屬（特別是鉍和銻）具有高的熱電系數(shù)，常用來(lái)設(shè)計(jì)熱電堆。把硒和碲摻雜于這些材料中，熱電系數(shù)可得到高至230μVK-1的改善，最初的熱電堆就是用這些金屬創(chuàng)建的。

構(gòu)建金屬結(jié)熱電堆的方法或許在某種程度上有所不同，但都是把真空淀積技術(shù)和蒸發(fā)掩膜相結(jié)合應(yīng)用于類似鉍和銻這樣的熱電材料。針對(duì)特定的設(shè)計(jì)，結(jié)的數(shù)量在20至數(shù)百之間變化?！盁帷苯Y(jié)通常涂覆熱輻射吸收體。例如可以做黑化處理，如利用鎳鉻合金（80%鎳和20%鉻的合金具有大于0.80的發(fā)射率/吸收率）、金黑材料或有機(jī)涂料，以改善其對(duì)紅外輻射的吸收率。

熱電堆是直流器件，其輸出電壓幾乎線性地隨“熱”結(jié)的溫度而變化。熱電堆可模型化為與固定電阻相串聯(lián)的由熱通量控制的電壓源。傳感器密封在帶有諸如硅、鍺或硒化鋅構(gòu)成的硬質(zhì)紅外透明窗的金屬殼內(nèi)（圖29c）。其輸出電壓Vs幾乎與入射輻射成正比。熱電堆工作的頻率限制主要由膜的熱容和熱導(dǎo)率確定，體現(xiàn)為熱時(shí)間常數(shù)。這種傳感器具有相當(dāng)?shù)偷脑肼?，等同于傳感器?0～100kΩ的等效電阻的熱噪聲。金屬類熱電堆傳感器的典型參數(shù)列于表1。

表1 熱電堆的典型參數(shù)

熱電堆傳感器的輸出信號(hào)取決于熱輻射源與感應(yīng)表面之間的溫度梯度。因此熱電堆的傳遞函數(shù)是三維面類型的，其形狀由斯忒藩-玻耳茲曼定律確定。

如今鉍和銻被硅熱電堆取代了。這類熱電堆更為有效和可靠。晶體硅和多晶硅的熱電系數(shù)很大，體電阻則相對(duì)較低。采用硅的優(yōu)點(diǎn)在于能夠利用常規(guī)的IC工藝，這可使成本顯著降低。電阻率和熱電系數(shù)可通過(guò)摻雜濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。不過(guò)電阻率增加得很快，要獲得高靈敏度-低噪聲比，必須精心優(yōu)化摻雜濃度。

圖29b為采用MEMS加工技術(shù)制造的半導(dǎo)體熱電堆傳感器。硅襯底的中心部分用各向異性蝕刻方法從背面去除，留下僅有1μm厚的、具有低熱導(dǎo)率的、上部為SiO2-Si3N4的薄夾層（膜）。在膜上淀積兩種不同熱電材料（多晶硅和鋁）的薄導(dǎo)體。由此能夠制造出靈敏度的溫度系數(shù)可忽略的傳感器，在工作于寬范圍的環(huán)境溫度時(shí)這是一個(gè)重要因素。

IR感應(yīng)技術(shù)的現(xiàn)代趨勢(shì)是把熱電堆傳感器與放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和其它處理電路集成在一起。比利時(shí)一家公司邁來(lái)芯（Melexis）開(kāi)發(fā)的一種全I(xiàn)R溫度計(jì)MLX90615，采用微型TO-46管殼封裝，包含了熱電堆和數(shù)據(jù)處理ASIC芯片（圖30）。計(jì)算物體的表面溫度需要用到環(huán)境溫度傳感器。來(lái)自熱電堆的小的輸出信號(hào)送至具有小到0.5μV偏移電壓的精密放大器。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）輸出所測(cè)定的溫度或提供來(lái)自傳感器的單獨(dú)輸出。

圖 30. 帶有熱電堆的集成IR溫度計(jì)框圖

圖 31（a）熱電堆熱成像傳感器；

（b）成像模塊；

（c）熱影像實(shí)例

可以這樣說(shuō)，上述的熱電堆是單像素?zé)彷椛鋫鞲衅?。進(jìn)而可設(shè)計(jì)出具有多個(gè)熱電堆像素點(diǎn)的傳感器，用于同時(shí)探測(cè)來(lái)自多個(gè)熱源的熱輻射，或用于熱成像。這種傳感器的一個(gè)例子示于圖31，其中熱電堆像素以32×31矩陣排列。每個(gè)像素點(diǎn)的結(jié)的數(shù)量是80，熱電結(jié)材料是n-多晶硅/p-多晶硅。像素點(diǎn)的尺寸為150μm，相互間距為220μm。德國(guó)海曼傳感器公司的感應(yīng)模塊HTPA32x31帶有嵌入式前置放大器、多路轉(zhuǎn)接器和A/D轉(zhuǎn)換器。該模塊的優(yōu)點(diǎn)是不需要低溫冷卻，可工作于寬的環(huán)境溫度范圍。