微机械力传感器应用现状与展望分析

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1、微机械力敏传感器应用现状与展望分析徐溪超S0816014生物机电工程研究院[摘要]：传感技术的一个重要发展方向是传感器的微型化，微机械加工技术则是硅微传感器的基础工艺技术，也是制作微执行器和微电子机械系统的基础工艺技术，微机械加工技术的出现把持感器，特别是力敏传感器，推向一个新的发展阶段。本文将着重对微机械力传感器的一些应用现状及应用前景做一个简要的析。[关键词]：微机械力，传感器，综述0引言传感技术的一个重要发展方向是传感器的微型化，微机械加工技术则是硅微传感器的基础工艺技术，也是制作微执行器和微

2、电子机械系统的基础工艺技术，微机械加工技术的出现把持感器，特别是微机械力敏传感器，推向一个新的发展阶段[1]。微机电系统(MEMS)是在微子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。

3、微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能[2]。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。1微机械加工技术与微机械力敏传感器微机械加工技术是为传感器、微执行器和微电子机械系统制作微机械部件和结构的加工技术，它是在硅平面技术的基础上发展起来的，是目

4、前传感技术领域最重要的新兴技术之一。微机械加工技术一般分为体微机械加工技术、表面微机械加工技术和金属微机械加工技术等三类，其中最先得到发展的是体微机械加工技术[3]。体微机械加工技术利用各种腐蚀技术对硅本体材料进行加工，以制作各种微结构。这类微机械加工技术主要是在硅片的表面淀积(包括电镀)各种薄膜材料，通过对这些表面薄膜采用光刻、腐蚀等加工手段而加工出各种微型的机械结构。许多表面微机械加工技术是针对微机械执行器而开发的，但表面微机械加工技术也已在微机械力敏传感器上得到了应用，成了发展微机械力敏传感器

5、的又一有力手段。在各种力敏传感器中，除了测力称重传感器之外，微机械化都已成了主要的发展方向：微机械压力传感器已发展成产业，成为压力传感器的主流产品微机械加速度传感器已开始批量生产。微机械陀螺的研究也已日趋成熟，产品已是呼之欲出[4]。2微传感器的研究现状目前国内外许多单位都在采用微机械加工技术开展各种微传感器的研究，并取得可喜的进展这些研究工作涉及面阵触觉传感器、谐振力敏传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。本文将微机械力敏传感器的研究情况[5]。现在应用最广的微机械压力传感器是硅压阻型压力

6、传感器。压阻型压力传感器出现于60年代，在70年代微机械加工技术使硅杯加工批量化之后，硅压阻式压力传感器的生产效率提高，成本下降，因而为开拓许多新的应用领域创造了条件，使压力传感器在8o年代成为第一个能批量生产的微机械传感器。由于压力传感器的广泛用途及其在工业技术上的重要性，人们对微机械压力传感器的发展仍然是不遗余力，这些发展主要为[6]：(1)高灵敏度的压力传感器早期用机械研磨加工的硅压力传感器，由于硅膜难以做薄，所以灵敏度不高，最低的量程约为几百kpa(1个大气压约为100kpa)。在采用微机械

7、加工技术之后，硅膜减薄到几十m，最小量程减小到几十kpa。再进一步减薄硅膜厚度，出现线性明显变差的问题。因此8O年代出现了许多利用微机械加工技术改进硅膜结构的设计，这些结构方面是实现应力集中以获得更高的灵敏度，另一方面是减小膜的位移量以提高线性。在诸多的硅膜的微结构中有二个最具典型性。一个是7O年代末，恩特福克(Endevco)公司引入了双岛一膜结构。另一个是作者在8O年代末把微机械梁引入硅膜结构中来，形成了梁一膜结构或梁一岛一膜结构。采用梁结构的硅膜是近年来国际上研制微量程压力传感器的主流[7]。

8、目前国际上最先的微压压力传感器，其量程已达到lkpa。进一步提高，会遇到更大的困难，但也还是可能的。(2)高温工作的压力传感器一般微机械压力传感器的摄高工作温度在120℃左右。在发动机压力测量、油井压力测量等高温环境下无法工作。8O年代以来，人们一直用sOs压力传感器来进行高温测量。SOS是蓝宝石上外延硅的简称。为制作这种传感器，先要在蓝宝石基座上外延生长约lm厚的单晶硅薄膜，再刻蚀出力敏电阻，由于力敏电阻之间是介质绝缘的，不存在漏电问题，所以最高工作温度可以达到40