S型高精度拉壓力感測器測力-斯巴拓SBT630B

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和傳統的感測器相比,微型感測器具有許多新特性,它們能夠彌補傳統感測器的不足,具有廣泛的應用前景,越來越受到重視。文中詳細介紹了一些微型感測器件的結構和原理,說明了微型感測器的基本效能特點和微型感測器的發展趨勢。

微型感測器的特點

傳統的感測器件因其製作工藝與半導體IC 工藝不相容,所以無論在效能、尺寸和成本上都不能與透過IC 技術製作的高速度、高密度、小體積和低成本的訊號處理器件相適應,於是制約了整個系統的整合化、批次化和效能的充分發揮。

微型感測器不是傳統感測器簡單的物理縮小的產物,而是以新的工作機制和物化效應,使用標準半導體工藝相容的材料,透過MEMS 加工技術製備的新一代感測器件,具有小型化、整合化的特點,可以極大地提高感測器效能。在訊號傳輸前就可放大訊號,從而減少干擾和傳輸噪音,提高信噪比;在晶片上整合反饋線路和補償線路,可改善輸出的線性度和頻響特性,降低誤差,提高靈敏度。

具有陣列性。可以在一塊晶片上整合敏感元件、放大電路和補償線路。可以把多個相同的敏感元件整合在同一晶片上;具有良好的相容性,便於與微電子器件整合與封裝。

利用成熟的矽微半導體工藝加工製造,可以批次生產,成本非常低廉。

典型的微型感測器

微機械加速度感測器

它是最早利用MEMS 技術開發成功,並取得廣泛應用的微型感測器之一。微加速度感測器的主要工作方式有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式,現在又出現了微機械熱對流式加速度感測器。

圖1 和圖2 分別給出了新型加速度感測器作用原理和結構示意圖。在懸臂樑的端部有一擴散加熱電阻,加熱電阻通電後所產生的熱量全部沿梁和上下兩個散熱板傳遞。向上下兩個散熱板傳導熱量的速率取決於加熱電阻與散熱板間的距離,沿懸臂樑的溫度分佈曲線由懸臂樑與散熱板間的相對位置來確定。可以透過分佈在懸臂樑上的P 型矽/ 鋁熱電偶對懸臂樑溫度的測量來測定懸臂樑與兩個散熱板的相對位置,從而實現對加速度的測量。

這種感測器的熱電偶具有很高的靈敏度,能夠直接輸出電壓訊號,可以省去複雜的訊號處理電路,並且對電磁干擾不敏感。在懸臂樑與散熱板的間距為140μm 和200μm、梁長為100μm、梁寬為4μm、梁厚為10μm 時,感測器的靈敏度為1 mV/ g ,測量範圍為25g ,解析度為0。003 g。 由於結構中沒有大的質量塊,微機械熱對流式加速度感測器具有很強的抗衝擊能力,但其頻率響應範圍很窄 。

微機械角速度感測器

對於旋轉角速度和旋轉角度的檢測,需要採用陀螺儀。基於MEMS 技術的微機械陀螺因其成本低,能批次生產,可廣泛應用於汽車牽引控制系統、醫用裝置、軍事裝置等方面。微機械陀螺有雙平衡環結構、懸臂樑結構、音叉結構等,其工作原理基於哥氏效應。

諧振式微機械陀螺的結構如圖3 所示:它由固定在基底上的靜止驅動器、質量塊(包括內部動齒框架及外部框架) 和2個雙端音叉諧振器(DETF) 組成。質量塊透過4 個支承梁固定在基底上。當在靜止驅動器上加上驅動電壓(角頻率為ωp)時,質量塊的內部動齒框架作沿著y 軸方向的振盪運動。如果一個外部的繞z 軸的轉動(輸入訊號Ω) 作用到晶片上,質量塊產生沿x 軸方向的哥氏力,且透過內支承梁轉移到外框架上, 外框架由兩對支承梁固定並可沿x 軸方向運動,透過兩對槓桿這個力被放大並傳遞到外框架兩邊的兩個雙端音叉諧振器(DETF) 上。DETF 上輸出訊號頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。

微機械陀螺的平面外輪廓的結構引數為1mm2 ,厚度僅為2μm。 而文獻給出的振動輪式矽微機械陀螺的直徑為1 mm ,厚度為19μm ,寬度為5μm ,電極間距為7μm。

微型電場感測器

電場感測器是基於導體在電場中產生感應電荷的原理。圖6 提供了一種基於MEMS 技術設計的微型電場感測器的結構圖。感測器由振動和感應兩大部分組成。振動部分的核心是振動膜,由氮化矽(Si3N4)薄膜製備,可以在圖示的垂直方向上振動。感應電極、遮蔽電極和激振電極對由分別生長在振動膜和感應部分上的金屬電極構成。遮蔽電極接地,其上有孔形陣列。感測器工作時,激振電極對連線交流電壓源,透過兩個電極間的庫侖力作用引起振動膜垂直振動。調節交流電壓頻率,使振動膜在諧振點附近達到預定的振幅。此時感應電極接受經過遮蔽電極週期性遮蔽的電場,產生感應電流,經前置放大後接外部檢測電路。微電場感測器彌補了一般電場感測器體積大、能耗高的缺點,可以應用於各種環境下靜電場及低頻電場的測量,有著廣闊的應用前景 。

微型感測器的發展趨勢

  微型感測器的智慧化

具有自診斷、自校準、自補償功能,能夠實現對資訊的儲存和記憶,能夠完成多感測器多引數混合測量和對訊號資料的實時處理,並且實現數字量的輸出。

智慧微型感測器可以從根本上改變傳統感測器功能單一的狀況,把對物理訊號的探測、分析和數字化處理整合。不僅使感測系統的效能得到極大地提高,而且能夠簡化感測系統的設計,大大降低成本。

如今,在已經實現微型感測器初步智慧化的基礎上,人們正利用模糊理論和神經網路等技術力圖實現微感測器智慧化的更高形態—分散式網路化 。

微型感測器的多功能化

藉助於敏感元件中不同的物理結構或化學物質及其各不相同的表徵方式,用單獨一個感測器系統來同時實現多種感測器的功能,這是目前微型感測器技術一個全新的發展方向。

多功能微型感測器可以對多種物理量進行探測。比如,微型數字式三埠感測器就是同時採用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件進行組配,從而達到探測多種訊號目的,這種組配方式的感測器不但能夠輸出模擬訊號,而且還能夠輸出頻率訊號和數字訊號。

多功能微感測器在許多應用領域中可以全面而準確的反映客觀物件。對它的研究多集中在觸覺敏感、嗅覺感測以及視聽辨別等各類仿生感測器上,比如由PVDF 材料、無觸點面板敏感系統以及橡膠觸覺感測器等組成人造面板觸覺感測器;由交叉選擇式氣體感測器陳列和恰當模式識別系統組成的,具有識別簡單和複雜氣味的能力的“電子鼻”等。

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