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  • 微传感器研究的现状与性能发展方向(3)
    http://www.ic72.com 发布时间:2006/10/25 11:01:00
        这种陀螺仪的精度很高,但它的结构复杂,使用寿命短,成本高,一般仅用于导航方面,而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上,如果不是受成本限制,角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。因此,近年来人们把目光投向微机械加工技术,希望研制出低成本、可批量生产的固态陀螺。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构[18],悬臂梁结构[19]、音叉结构[20]、振动环结构[21]等。但是,目前实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h,离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。 
        2.4微流量传感器 

        微流量传感器不仅外形尺寸小,能达到很低的测量量级,而且死区容量小,响应时间短,适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力,再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号[22]。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。 

        荷兰Twente大学的Rob.LegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了1对具有相对V型槽的谐振器芯片和顶盖芯片,利用低温玻璃键合技术将二者键合在一起,形成质量流量传感器[23,24],相对的V型槽形成流体通过流管。由于激励电阻和检测电桥产生的热量,使谐振器温度上升到高于环境温度的某一温度,如果有气流流过流管,对流换热使谐振器温度降低。气体流量不同,谐振器温度亦不同。由于谐振器和衬底材料不同,不同温度对应不同的内应力,因而可通过谐振频率的大小得到流量的大小。谐振器可以是微桥谐振器,也可以是方膜谐振器。研究表明,质量流量传感器的灵敏度与向衬底传导的热量和对流换热之比有关。对相同材料制作的微桥谐振器和微方膜谐振器来说,后者向衬底传导的热量更多,因而其灵敏度较桥谐振器低。对它们制作的氮化硅桥谐振器来说,在压曲临界温度以下,灵敏度为4kHz/Sccm,在压曲温度以上为-7kHz/Sccm。 

        2.5微气体传感器 

        根据制作材料的不同,微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关,因而要同时制作加热元件和温度探测元件,以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起,保证气体传感器优良性能的发挥[25]。 

        谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热,且输出信号为频率量,是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子所提出的1种微结构气体传感器[26],由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。微梁被置于被测气体中后,表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加,使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明,在0×10-4~1×10-4的范围内有较好的线性,浓度检测极限达到1×10-6,当工作频率是19kHz时,灵敏度是1.3Hz/10-6。


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