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1、-第五章 微传感器_修改1-第 17 页第五章 微 传 感 器自19世纪产业革命以来，传感器作为检测单元不断用于改善机器系统的性能和提高系统的自动化程度。例如，为了对蒸汽机进行速度调节与控制，人们发明了离心式调速器。这种离心式调速器就是一种传感器，它实时地测量转速，当转速有变化时，就把这种变化转换为位移量，位移量又反过来调节蒸汽的流量，使转速恢复到所希望的值。如果狭义地定义，传感器就是“将外界信号变换为电信号的一种装置”；广义的定义，传感器就是“外界情报的获取装置”。中国国家标准(GB7665-87)则规定：传感器（transducer/sensor）的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规
2、律转换成可以输出的信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件(sensing element)是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件(transduction element)是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号的部分。可见，传感器主要有两个功能：其一是拾取信息；其二是把拾取到的信息进行变换，使之成为一种与被测量有确定函数关系的、而且便于传输和处理的量，一般是电量。众所周知，测量的品质一般以测量准确度、测量带宽和测量速度来衡量，对传感器而言，就是要求它具备一定大小的灵敏度、稳定度和动态特性。由于被测量的千差万别，传感器的种类也有
3、多种多样，分类方式也不尽相同。例如，按照敏感原理可以分为物理、化学和生物传感器，如图5-1所示。物理传感器化学传感器传感器生物传感器物性型传感器结构型传感器图5-1 传感器分类物理量传感器是利用某些变换元件的物理特性以及某些功能材料的特殊物理性能制成的。如利用金属和半导体材料热效应制成的温度传感器、利用金属和半导体的压阻效应制成的压力传感器，还有利用半导体材料的光电效应制成的光电传感器等都属此类。近年来，科学技术的飞速发展，特别是微电子技术、计算机技术、信息处理技术及材料科学的发展，使得集各种先进技术的传感器进入了一个前所未有的飞速发展阶段。随着MEMS技术的不断发展，特别是其加工技术，如蒸镀
4、、刻蚀，微细加工的进步，过去很难加工的工艺变得容易了。通过蒸镀可以制成均匀的、稳定的，并可以把拾取信息的敏感部分和电路集成于一体。例如，微加工技术可在半导体材料上，利用刻蚀方法使局部厚度变成几个微米而感受压力的敏感膜，从而避免了传统的把感压膜固定在装置上而产生的诸多不稳定因素。除了敏感元件及其信号处理电路，调节机构甚至运动元件也都可以利用微加工技术集成在一起，在相对极小的空间里制作出测量和控制系统。微传感器的出现为传感器这个大家族增加了新的成员。目前，各种各样的微传感器已经问世，测量对象从机械量的位移、速度和加速度到热工学量的温度和基于温度特性的红外图像和流速，以及磁场、化学成分等应有尽有。利
5、用微加工技术开发的众多传感器，其敏感原理已经跨越了图5-1中的所有种类（物理、化学和生物）。同传统传感器相比，微传感器具有体积小、质量轻（例如，机械、集成电路和生物微电子产品的加工尺寸，通常分别是毫米、微米和纳米）、功能灵活（可以在一个基片上构造多种传感器及其配用电路）、功耗小，以及成本低廉（可以规模化生产）等特点。但目前很多微传感器对环境有较高的要求，如温度和湿度必须控制在一定范围内。此外，微传感器的测量对象相对还比较少，有待于通过提高微加工技术水平来扩展。本章详细介绍几种物理量传感器的基本原理、制造工艺及特性等。5.1 传感器的基本物理效应 如前所述，传感器包括微传感器可以实现的种类很多，
6、从原理上讲都以物理、化学及生物的各种规律或效应为基础。因此了解传感器所基于的各种效应，对学习、研究和使用各种传感器（特别是物性型传感器）是非常必要的。表5-1列出了部分物性型传感器的检测对象及所基于的物理效应，如果读者想了解更广泛和深入的内容，请参考其他文献。表5-1 一些物性型传感器的基础效应检测对象类型所利用的效应输出信号传感器或敏感元件举例主要材料光量子型光电导效应电阻光敏电阻可见光：CdS, CdSe红外：PbS, InSb光生伏特效应电流光敏二极管、光敏三极管、光电池Si, Ge, InSb(红外)电压肖特基光敏二极管Pt-Si光电子发射效应电流光电管、光电倍增管Ag-O-Cs, C
7、s-Sb约瑟夫逊效应电压红外传感器超导体热型热释电效应电荷红外传感器、红外摄像管BaTiO3机械量电阻式电阻应变效应电阻金属应变片、半导体应变片康铜，卡码合金，Si压阻效应硅杯式扩散型压力传感器Si, Ge, GaP, InSb压电式压电效应电压压电元件石英，压电陶瓷，PVDF正、逆压电效应频率声表面波传感器石英，ZnO+Si压磁式压磁效应感抗压磁元件；力、扭矩、转矩传感器硅钢片,铁氧体,坡莫合金磁电式霍尔效应电压霍尔元件；力、压力、位移传感器Si, Ge, GaAs, InAs光电式光电效应电流各种光电元件；位移、振动、转速传感器CdS, InSb, Se-化合物光弹性效应折射率压力、振动传
8、感器各种透光弹性材料温度热电式赛贝克效应电压温差电偶Pt-PtRh10,NiCr-NiCu,Fe-NiCu约瑟夫逊效应噪声电压绝对温度计超导体热电效应电荷驻极体温敏元件PbTiO3, PVF2, LiTaO3压电式正、逆压电效应频率声表面波温度传感器石英热 型热磁效应电场Nernst 红外探测器热敏铁氧体，磁钢磁磁电式霍尔效应电压霍尔元件Si,Ge,GaAS,InAs霍尔IC、MOS霍尔ICSi磁阻效应电阻磁阻元件Ni-Co合金，InSb,InAs电流二极管、磁敏晶体管Ge约瑟夫逊效应电流超导量子干涉器件(SQUID)Pb,Sn,Nb,Nb-Ti光电式磁光法拉第效应偏振光面偏转光纤传感器YIG
9、, EuO, MnBi磁光克尔效应MnBi放射线光电式放射线效应光强光纤射线传感器Ti-石英量子型P- N结光生伏特效应电脉冲射线敏二极管二极管Si, GeLi-Ge, Si, HgI2肖特基效应电流肖特基二极管Au-Si52 压阻效应与半导体应变传感器5.2.1 电阻应变效应1856年，英国物理学家W. Thomson首先发现了金属的电阻应变效应，并由B.W. Bridgemen于1923年用实验进行了验证。金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为电阻应变效应，它是应变片式传感器工作的基础。以下以一根金属丝为例说明这种效应。设金属丝长为l，截面积为s，电阻系数为r，则
10、其阻值为(5-1)当导线两端受到拉力F的作用时，其长度l伸长dl，截面积s减小ds，电阻系数r变化dr，从而金属丝电阻值增加dR (图5-2)。对式（5-1）微分得到FFl图5-2 电阻应变效应示意图(5-2)因为s=pr2，r为金属丝半径，所以有(5-3)由材料力学可知(5-4)式中 m为泊松比， 0 m (1+2)，故(1+2)项可以忽略，这时有 （5-10）由上式（5-10）可见，半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的，这种半导体材料电阻率随应变所引起的变化称为压阻效应。 半导体压阻系数的表示晶体中电流密度可以表示为J=J1i+J2j+J3k其中i
11、，j和k分别为表示沿x、y和z三坐标轴方向的单位向量。类似地，晶体中的电场强度可以写成E=E1i+E2j+E3k在一般情况下，J1 的值不仅由E1所决定，还与E2和E3有关，J2、J3也是如此，可表示为式中：ij为晶体的电导率张量，一般有9个分量。通常，上式可以写成矩阵形式(5-11)由9个分量ij组成的电导率张量矩阵是一个二级张量矩阵。电导率张量一般满足ij=ji关系，而对于立方晶体的硅单晶材料，在坐标轴取于晶体的立方轴上时，12=21=13=31=23= 32=0，考虑11=22=33，因此有应该注意，这一简单形式仅是在特殊情况下才能成立的，在晶体不是立方晶体或晶轴取向为任意时，仍应用式(
12、5-11)。同样，欧姆定律也可以用电阻张量表示：同样，电阻率张量也是一个有9个分量的二级张量。一般也满足12=21，23=32，13=31等关系。在立方晶体和坐标轴取在主晶轴方向时，12=23=13=0和11=22=33，因此在晶体受力时材料内产生应力，应力本身是一个二级张量，它有9个分量,x(y, z)是垂直于x轴（y轴，z轴）的单位平面上受到的沿x方向(y方向，z方向)的力，xy是在垂直于x轴的单位平面上受到的沿y方向的切应力，yx是在垂直y轴的单位平面上受到的沿x方向的切应力等等。在晶体静止情况下有xy=yx, yz=zy, xz=zx。在外力作用下，晶体的电阻率张量的六个分量11、22
13、、33、23、31、12的相对变化值ij=ij/0，都是与六个应力张量有关的（0为无应力时的各向同性的电阻率）。 采用六个分量表示法即令11=1，22=2，33=3，32=4，31=5，12=6，和11=1，22=2，23=3，23=4，31=5，12=6，则有 (5-12)式中：ij为压阻张量的分量，它最多有36个独立分量。但在很多情况下，它的形式可以简化。如在常见的立方晶体中，压阻张量实际上只有三个独立分量。它的形式为式中：11称为纵向压阻系数，表示沿某晶轴方向的应力对沿该晶轴方向电阻的影响。12为横向压阻系数，表示沿某晶轴方向的应力对于其垂直的另一晶轴方向电阻的影响。44为剪切压阻系数，
14、表示剪切应力对与其相应的某电阻率张量分量的影响，如剪切力Yz对电阻率分量yz的影响。对硅材料而言，11、12和44已经实验测定。常用的数据有P-Si( Wcm)11= 6.610-11 (m2/N)12= -1.110-11 (m2/N)44= 13810-11 (m2/N）N-Si(=11.7 Wcm)11= -10210-11(m2/N）12= 53.410-11 (m2/N)44= -13.610-11 (m2/N)当电阻方向不在晶轴方向时，或应力不在晶轴方向时，压阻张量要从一个坐标系变换到晶体主轴坐标系。这是一个四级张量的坐标变换，计算复杂，这里不进行讨论。应该说明，在硅膜比较薄时，可
15、以略去沿硅膜厚度方向的应力，三维问题就简化成了二维问题了。任何一个膜上电阻在应力作用下的电阻相对变化为 （5-13）式中：l为纵向压阻系数；t为横向压阻系数；l为纵向应力；t为横向应力。 固态压阻式传感器是利用半导体的电阻率随应力变化的性质所制成的半导体器件，它是在半导体基片上用集成电路工艺扩散电阻直接作为敏感元件。半导体基片受到外界振动压力等作用将产生变形，其内部应变随之发生变化，而扩散电阻阻值亦随着相应的变化，根据电阻值变化的大小，就可确定压力、振动和角速度等物理量。 固态压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器有外壳、硅膜片引线组成。其简单结构如图5-3(a)所示。其核心部分是一块圆形硅膜
16、片，在膜片上利用集成电路的工艺方法扩散上四个阻值相等的电阻，用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆环（硅环）固定，如图5-3(b)所示。膜片的两边有两个压力腔:一个是与被测系统向连接的高压腔；另一个是低压腔，一般与大气相通。当膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上个点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压。该电压与膜片两边的压力差成正比。这样，测得不平衡电桥的输出电压，这就测出了膜片受到的压力差的大小。 （a） 固态压力传感器结构图 （b） 硅环上法线为晶向的膜片 图5-3 硅压力传感器构造示意图对于固态压阻式压力传感器而言，它的纵向应力l和横向应力t决
17、定于硅片上各点径向应力和切向应力，当rr0时，l=0；rr0时,l0，为拉应力；rr0时，l0，为压应力。当rr0时，t=0，仅有l存在，且l0。 圆形平膜片上的径向应力平均值 和切向应力平均值可以分别用下式计算 固态压阻式加速传感器 压阻式加速传感器构造示意图如图 5-4 所示，在它的悬臂梁根部的两面沉积有四个桥路电阻（上下面各两个等值电阻）。当梁的自由端的质量受到加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用发生变形时会产生应力，使电阻值变化。 图5-4 固态压阻式加速度传感器构造示意图压阻式加速度传感器的输出方式是将集成在硅梁上的四个等值电阻连成平衡电桥，当加速度作用于硅片上的质量块时，电阻值会发生变
18、化，使电桥失去平衡，产生电压输出。但是，由于制造工艺残留内应力及环境温度变化等原因，电桥输出存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，这些因素会给传感器带来测量误差。因此，必须采取有效措施，减少或补偿这些因素带来的影响，提高传感器的准确性。补偿的具体方法请参考其他文献。目前，微加工技术的发展为固态压阻式加速度传感器的微型化带来了可能，如图5-5所示，人们已能将传感器包括信号调理电路制作在同一芯片上，这样不仅使传感器系统的尺寸大大减小，也有利于温度误差的矫正。该图中，圆形物为5日元硬币，其直径约14mm。图5-5 芯片型压阻式加速度传感器 电容式三维加速度计三维加速度计可以用来同时测量三
19、维方向上的加速度值，并以向量的形式表示。在汽车控制、电气工程和其他许多应用场合，体积小巧、测量准确的三维加速度计有很重要的应用。例如，在汽车运动控制系统中，三维加速度计是用来控制汽车底盘和制动刹车系统等不可缺少的部件。三维加速度计有很多种类，本节仅介绍一种日本住友精工Osamu等研制的电容式加速度传感器，其结构如图5-6所示。该传感器对各个方向加速度值之间的干扰有很强的抑制能力，而且温度特性和线性特性都很好。图5-6 三维加速度传感器结构示意图该加速度计有四层结构，其尺寸约为6mm6mm2.2mm。在顶层玻璃层的底部形成有五个固定电极，分别用来引出电容传感器信号及屏蔽接地。第二层是硅材料，其中
20、微加工形成的由四个悬臂梁组成的公共电极可以在3个轴向(X,Y, Z)上自由运动，固定电极与硅基底的铝焊盘孔通过触点相连接。第三层材料也是玻璃，它构成振动质量块和基架。底部的第四层硅结构起限位作用(stopper)，当免加速度值过量程时损坏传感器。图5-7给出了固定电极和公共电极结构示意图。可见，固定电极(C1、C2、C3、C4、C5)在第一层的底部均匀地分布于X和Y轴构成的平面上。X(Y)轴向的加速度值由C1(C2)和C3(C4)的电容值差动给出，而Z轴向的的加速度值则由C5电容值的变化给定。 (a) 固定电极的成型阵列 (b) 四臂悬臂梁的移动公共电极结构图5-7 传感器的固定电极与公共电极
21、1. 工作原理当传感器所在部位做加速度运动时，其加速度作用在质量块上，使质量块发生惯性失衡(偏移)并同时带动横膈膜(公共电极)失衡。图5-8（a）所示为X(Y)轴向加速度作用，图5-8(b)所示为Z轴向加速度。(a) X(Y)轴向加速度引起的变化(b) Z轴向加速度引起的变化图5-8 三个方向的加速度引起的构造变化上述的失衡必然造成传感器移动电极和固定电极间的电容值发生变化。表5-2给出了各轴向加速度与传感器各电容值间的定性关系。表中关系表明，该传感器无需像普通加速度计那样考虑修正轴向间加速度值的交叉干扰影响。表5-2各轴向加速度与传感器电容输出的定性关系X轴向加速度Y轴向加速度Z轴向加速度C
22、1C2C3C4C5AX+-000AY00+-0AZ+注：+指增加；-指减少；0指无变化 2加工工艺图5-9所示为传感器加工工艺流程。其中，(a)为可移动电极，硅基底由微加工工艺制作而成，其过程是：二次剖光的晶片的表面用 TMAH 溶液刻蚀4mm, 其凹痕形成电极间隙；其底侧刻蚀残留60mm作为梁的厚度。连线用的铝焊盘和绝缘层也在硅材料的表面凹成。最终，硅层被 TMAH穿透，表面覆盖有SiO2薄膜的部分除外。加工完成的硅层再与上下的玻璃层黏结，如(b)所示，这一工艺过程也可以称作阳极键合-1。下层的玻璃层又被分割成惯性质量块及基座，如(c)所示。然后，再在玻璃层下粘接一层硅材料作为过量程保护，即
23、阳极键合-2，如(d)所示。最后，如图5-9中(e)和(f)所示进行划片和封装。图5-9 传感器加工工艺流程.3传感器温度特性作为半导体型传感器，本节介绍的三维加速度计无可避免地存在温度特性误差。其存在的主要原因是硅材料与玻璃的热膨胀系数不同，当温度发生变化时(加速度为0或恒定)，传感器固定电极和移动电极也会有位置偏移，因而传感器的输出值也将发生变化。分析表明，当温度由20C变化到85C时，面积为4mm2mm，而造成移动电极位置的微小偏移。通过改善传感器各部件的结构和形状可以部分地抑制温度误差，还可以考虑黏结正负热膨胀系数的材料在一起来互补温度影响，由于篇幅所限本书不再详细讨论。4非线性问题与
24、独立解从本质上看，该传感器采用的是“变间隙电容”敏感元件，可表示为式中： e为电介质常数 ；S为电容极板间的有效面积；d为电容极板间距。采用电容-电压配用电路的传感器X(Y)输出和Z输出分别为(5-14)(5-15)式中：d0为电容间距初始间距；dX(Y)和dZ分别为X(Y)和Z轴向加速度造成的电容间距偏移，如图5-10所示。 图5-10 X和Z向加速度下电容电极剖面示意图由于Z轴向的加速度值由电容C5单独给出，因此Z向输出反比于Z向加速度值；而式(5-15)表明X(Y)输出逼近于X轴向加速度值的正比例。但是，式(5-15)同时也表明X(Y)输出的灵敏度也与Z向加速度值有关。图5-11给出了Z
25、向加速度存在时的影响。图5-11 1g下的实验结果(未加补偿)实验中，传感器安装在一个可以水平旋转的工作台上，并使得旋转始终围绕于Y轴。上面的图形曲线表明，Z轴向加速度值对X轴向电容输出灵敏度有滞后影响。由式(5-14)和式(5-15)可以解出分别独立反映Z向和X向加速度值的变量，即“补偿输出电压值”VRZ与VRX(5-16) (5-17)式中，KZ，KX称为“补偿系数”，其值决定于d0、dZ。应用式(5-16)和式(5-17)可以精确地计算出X、Y和Z轴向上的加速度值。如果传感器系统中有CPU处理单元，上述计算可由编程完成；对于没有CPU的传感器系统，可由图5-12的电路进行自动补偿。图5-
26、12 补偿轴向间测量数值干扰的电路5传感器综合指标该传感器可以应用在工业实际环境中，加上配用设备(电源等)的总体封装尺寸为54mm53mm22mm， 其中，微传感器部分仅为普通集成芯片大小。传感器的总体性能指标见表5-3。图5-13分别给出的是传感器温度漂移和温度-灵敏度漂移。图5-14为轴向间补偿后的实验结果。表5-3 传感器总体性能指标参数单位指标测量范围g2电流mA灵敏度V/g1灵敏度温度漂移特性%/CXYZ温度漂移总体特性mg/CXYZ非线性%FS(满度)XYZ轴向间互扰%XYZ静态噪声(1kHz带宽)mg(有效值)XYZ工作温度C-3075图5-13 传感器温度漂移特性图5-14 1
27、g下的传感器特性（补偿后）5.4 振动式微陀螺仪 当需要检测物体的运动方向和姿态时常用到陀螺仪，即转速计。陀螺仪按其构成原理可分为机械式、光学式、气动式和振动等类型。这当中，振动式最适合微型化，因为它的结构相对简单且无旋转部件。近年来，基于微加工技术制作的振动型微陀螺仪的研究报道很多，并逐步迈向实用化。日本村田制作所的田中研究小组研制出了一种典型的基于表面微加工工艺的微陀螺仪，其结构如图5-15所示。它的多晶硅谐振子长800mm（包括两侧的梁），宽400mm（包括两侧的梳状振动器），厚度5mm，被4个梁悬起来，这些梁的终端被锚定在单晶硅上。为了得到大的弯曲振幅，驱动方向是横向的（在x方向）。振
28、子是靠施加在梳状操作器上的AC和DC偏置电压所产生的静电力来工作的（驱动振动模式）。当振子沿y轴以角速度转动时，所产生的柯氏力F(Coriolis force，理论上，F=2mv,m为谐振子的质量，v为谐振子的横向振动速度)与成比例变化，会引起振子沿z轴方向上下振动（检测振动模式）。但这种振动弯曲很小，一般通过振子和硅板之间的空隙的静电电容的变化才可以检测到。若设计的空隙是1mm，为了提高检测高灵敏度，需要合理设计4个梁的尺寸，即支撑梁的长宽高，一般使驱动模式和检测模式的响应频率很接近。 图5-15 微陀螺仪的构造示意图基于表面微加工技术制作微陀螺仪的工艺流程如图5-16所示。一个检测电极，P
29、SG牺牲层（1mm厚）和多晶硅层（5mm厚）被沉积在一片单晶硅上。利用RIE使多晶硅刻蚀成谐振子。牺牲层用氢氟酸湿法腐蚀除去，然后用水漂洗，最后在真空环境用二甲基二丙醇冷冻干燥。这种冷冻干燥可以避免由于表面张力使振子粘到硅板的现象。用激光位移计测量驱动模式的谐振频率和检测模式的谐振频率，然后用离子研磨来修正两种模式谐振频率，这里有选择性地研磨支撑梁，可使检测模式的谐振频率比驱动模式的减少得更快。 图5-16 微陀螺仪制作工艺流程：图5-17给出了微陀螺仪的测试系统的原理框图。在真空中测试微陀螺仪的输出特性。给样品施加5V DC偏置电压和10Vp-p AC 驱动电压，且两边的梳状微驱动器交替工作
30、（相位相差180）。使用FET电容电压转换器来检测出电容的变化。用相位检测计放大和处理C-V转换器的信号。图5-18给出了当角速度为45/s时，陀螺仪的输出电压随环境压强变化的情况，由图可知，输出电压随着压强的增加而减小。在较高压力下输出电压的减少是由于空气的阻尼效应，使谐振子的谐振品质因数Q减小所致。特别值得一提的是驱动模式的Q对谐振子振幅有明显的影响。为了使这种微陀螺仪能稳定工作，一般要采用振幅反馈控制和真空封装。图5-19是一幅振动型微陀螺仪的SEM照片。图5-17 陀螺仪信号调理电路示意图 输出电压V绝对压力/p 图5-18 陀螺仪的输出电压与压强间的关系 图5-19 一幅振动型微陀螺
31、仪的SEM照片5.5 微型热式湿度传感器 混合气体中的某一特定气体的密度通常可以由这种气体的热传导率的积分值来决定，即可根据周围环境所测得的热敏电阻的阻值变化来感知大气中某一成分的密度，这种测量原理已用于诸如气相色谱仪和真空计。基于此原理也可测量气体的湿度。例如，有一种湿度计，它依靠测量电阻值的变化来测定周围环境大气的湿度，这种变化是由于来自于加热电阻器的热扩散进入大气引起的，它利用了气体热传导之间的差异。普通的湿度传感器中，使用两个具有相同电热特性的加热器，其中一个被密封在诸如干燥空气的特定环境里，作为温度补偿的电热调节器来使用，另外一个被暴露在被探测的大气中。一般来说这种结构的湿度传感器对
32、于探测绝对湿度，有很好的重复性以及对于杂质有抵抗能力，且可以在高温情况下使用。 这里介绍一种利用微加工技术研制的具有快速响应的微型加热湿度传感器，具有前面提到的那种具有电热调节器的湿度传感器的优点。这种微型湿度传感器使用了与微型气体传感器相同的工艺，尺寸微小，这里使用气体桥路的构造是为了尽可能地依靠它所产生的热来增加传感器的响应速度。这种微型湿度传感器可以置于微型加热器内部，其中一端作为温度补偿被密封，另一端被暴露在外用来探测气体的湿度。 传感器的实物照片如图5-20所示，这种传感器是在一片具有Ta2O5膜的单晶硅上制作，依靠腐蚀留下SiO2膜形成一个空穴，在空穴上桥接4个悬臂梁，在Ta2O5
33、膜上制作Z字形状的铂膜电阻，这个铂膜也可以作为一对电极使用。该传感器的尺寸是mm，其中桥路的面积是175m175m，厚度大约是3m。图5-20 微型湿度传感器的SEM照片当给传感器施加不同的激励电流时的实验结果如图5-21所示。由实验结果可知，当电流小于4mA时，传感器对湿度几乎没有反应，但对环境温度反应敏感；当电流大于4mA时，传感器的输出电压随环境温度的变化趋缓，但受湿度的影响急剧增加传感器的温湿度灵敏度 图5-21 传感器的温湿度灵敏度与激励电流的关系 为了得到较好的湿度测量精度，并考虑到传感器的响应速度及能耗等因素，该传感器用脉冲电流来驱动。即首先在第一阶段供给传感器通入4mA较小的电
34、流且持续50ms，在第二阶段供给8mA较大的电流也持续50ms。在暂停1s后，重复如上动作驱动。传感器的湿度实验曲线如图5-22所示，这里，湿度是由大电流时得到的电压Vh的平方值(Th高温约500)和小电流时得到的电压Vl的平方值（Tl低温约100）的差来决定。即 （5-18） 4mA8mA绝对湿度RH%传感器输出电压/V从实验数据中可以得到K。由实验可知，传感器的输出电压与湿度之间有很好的线性关系，但却独立于环境温度。 图5-22 传感器的输出与湿度间的关系 这种微型加热式湿度传感器具有以下优点：即使环境条件突然改变，传感器也可以准确地测量湿度和温度；不需要加热器的补偿，它与微型加热器几乎具
35、有同样的特点；传感器的总功耗仅大约是具有温度补偿的湿度传感器功率的一半；由于具有较高的工作温度，这种传感器测量湿度的范围宽；因为这种传感器对湿度、温度和空气压力敏感，因此这种传感器也可用在其他场合。5.6 微型光栅读码器日本NTT境界领域研究所的泽田研究小组利用半导体集成光学等综合技术在mm2的砷化镓基片上成功制作出了完整的微型光栅读出器（encoder）,它的性能与传统的小型高分辨率读出器相近，但其质量非常轻，只有后者的1/2000，因而可用在对体积和质量要求苛刻的地方，如用于千分尺的读出头。 早期研制的读出头见图5-23（a），它由半导体激光源、光路、反光镜、微透镜和接收光电二极管等部分组
36、成。由于要制作反光镜和微透镜，工艺复杂，另外，该读出头仅有一个接收二极管，所以不能区分光栅运动方向而不实用。改进后的读出头见图5-23(b)和图5-24，它有两个光电接收二极管，并省去了透镜构造。光路则类似光纤构造，由两种不同折射率的聚酰亚胺材料采用旋转涂层工艺制作（二者间的折射率相差约）。另外它的光路采用特殊段差构造，使两路光的相位差约90，通过一定的信号处理，不仅可感知光栅的移动距离，而且可辨别其移动方向。 微光栅读出头的关键工艺有两点：一是半导体激光共振面形成所需的干法刻蚀技术；二是光路的制作技术。前者要求无应力产生，端面要垂直且平整，而且要能深度且高速刻蚀；后者的工艺要求不会给已形成的
37、部分带来不良影响，且能耐焊线时的较高温度，同时要求深度且高速刻蚀。另外，为了实现真正的微型化，需要将检测控制电路也集成到同一基片上。 微型光电读出头如图5-25所示可用于千分尺。结合细分技术，位移分辨率可达m程度，因此适于精密测量。它可用于空间狭小的场合，结合其他构造可测量许多种物理量。例如，在微悬臂梁上刻上光栅（重锤部），用微光电读出头来读取悬臂梁的位移，按此原理可开发出加速度传感器。电路部分(a) 早期研发的样品 (b) 改进后的样品 图 5-23 微型光栅读出器光路 图5-24 新型光电读出头构造示意图 图5-25 微光栅使用于千分尺5.7 微型磁通门磁通门是利用被测磁场中高导磁铁芯在交
38、变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的一种传感器。磁通门传感器也称磁强计，由探头和接口电路组成，具有分辨率高（最高可达10-11T）、测量弱磁场范围宽（在10-8T以下）、可靠、简易、经济、耐用、能够直接测量磁场的分量和适于在高速运动系统中使用等特点。磁通门传感器的研究起始于1928年，几年后才出现了利用磁性材料自身磁饱和特性的磁通门磁强计，它被用来测量1mT以下的直流或低频交流磁场。1936年，Aschenbrenner和Goubau称达到了的分辨率。在第二次世界大战中，用于军事探潜的磁通门传感器有了较大的发展。磁通门从其问世以来得到了不断的发展和改进，被广泛应
39、用在各个领域，如地磁研究、地质勘探、石油测井、空间磁场探测、磁性导航、武器侦察、探潜、磁性材料测试和材料无损探伤等弱磁场探测的各个领域。近年来，磁通门在宇航工程中也得到了重要应用，例如，用来控制人造卫星和火箭的姿态，测绘太阳的“太阳风”和带电粒子相互作用的空间磁场、月球磁场、行星磁场以及星际磁场的图形等。美国宇航局（NASA）目前正在制订的一项雄心勃勃的微型仪器技术开发计划，主要目的是发展适合21世纪的小型、低价、高性能航天器，利用MEMS技术对航天器有效载荷的某些机电部件进行微型化，以极大地减小各种科学仪器和传感器的体积和质量，提高探测器的功能密度。美国喷气推进实验室（JPL）称这些微型仪器
40、将是新的微型实验室的心脏，它们主要包括：火星登陆器、微加速度计、微磁强计、微湿度计、微气象站、微地震仪、微集成相机、微成像光谱仪以及微推进器等。由此可见，微型磁通门在其计划中的位置。 传统制造磁通门的方法是在高导磁铁芯上用机械的方法缠绕上励磁线圈和感应线圈制成探头，再与接口电路连接起来，这种方法制作的磁通门在体积、质量以及功耗等许多方面都难以实现微型化。目前，利用MEMS技术与半导体集成电路工艺相结合是研制微型磁通门传感器的突破口。 微型磁通门的研究起步比较晚，进入20世纪90年代，日本、美国以及东欧一些国家的学者才开始尝试利用MEMS技术来制作微型磁通门及其系统，并取得了一系列的成果。由于微
41、加工技术的要求，微型固态传感器必须制作在某种固体衬底材料上，衬底材料的不同，使得传感器的制作方法也不同。据文献报道，目前微型磁通门的制造工艺主要分为三种: 一是利用PCB板加工制作磁通门探头,2000年，等发表了他们利用三层PCB板制作微型磁通门探头的技术，该磁通门在10kHz的励磁频率下，灵敏度为18V/T。 与此同时，其同胞Pavel Kejik等也制作出PCB板式探头的磁通门传感器，在的频率激励下，其灵敏度为55V/T。二是在非半导体（如钒、玻璃等）衬底上制作磁通门探头。1994年，等利用平面加工技术在金属钒衬底上制作了微型磁通门探头。线圈由Ti-Pd-Cu三层构成，其中Ti和Pd是用低
42、压气相淀积（LPVD）方法制作，Cu是用电镀的方法制作而成。另外，2000年发表了制作在玻璃上的微型磁通门传感器。三是在半导体材料特别是硅衬底上制作磁通门探头以及包括接口电路在内的磁通门系统。1990年，瑞士的T. Seitz首先采用微电子平面工艺制作了世界上第一个微型磁通门传感器，该磁通门将磁芯和感应线圈集成到一个芯片上。此后日本、德国、美国以及瑞士的科学家也都开展了微型磁通门的研究，并相继报道了他们的研究成果。日本的S. Kawahito等从1993年开始先后研制出单芯、双芯、环芯磁通门探头以及探头与接口电路集成在一起的微型磁通门传感器系统；德国的等于1996年研制出带有三个线圈的与接口电路集成在一个芯片上的双芯磁通门系统，并对此结构的磁通门进行了一系列的研究；1999年，美国的T. M. Liakopouls等首次制作出微结构的长环