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随着MEMS技术的发展，采用该技术的微机械传感器研发事业正在壮大。但人们往往会有一种想法，即只要采用了MEMS的制造技术，完全可以把传统的传感器做成小型的器件。除MEMS制造技术外，完全可以沿用传统的传感器相关技术。事实上由于MEMS技术引入，传感器的相应设计规则也发生了变化。这其中包括：微机械应力的获取规则、微小电容检测的规则、温度漂移的引入规则、微机械位移和固有频率的关系、噪声作用的顺序、最终噪声底线等。同时，在MEMS执行器方面，也出现了诸如静电驱动深宽比法则、驱动稳定性条件、空气和稀薄气体的阻尼、静电吸合法则、微机械热平衡与传输规律、表面张力和毛细管作用规律、非线性振动规律等十分重要的问题。这些问题在宏观机械领域不起很大作用，因而没有受到很大重视。需要在研发MEMS传感器技术的同时逐步加以解决。 就在MEMS技术还处于不很完善的情况下，人们已经迫切希望和需要MEMS传感器走向实用化和产业化。其原因和动力如下： a. 人们认为MEMS技术是微电子集成模式的延续和发展，理应尽快实现产业化； b. MEMS传感器除可以实现传统产品更新换代之外，还可以依据自身的优势开拓崭新的应用市场，应用前景广阔。 c. 在Bio-MEMS、RF-MEMS等技术相继出现后，人们期待MEMS技术成为一种在从工业化到信息化乃至生物时代跨越发展中具有普适性的技术。而当人们纷纷展开MEMS产品技术的研究时，往往发现器件指标总是与应用需求有一些差距，我们称之为临界点突破前的困惑。仔细分析原因，有如下的一些因素： a. MEMS选择了微电子集成制造的先进模式，也同时选择了它在三维机械加工方面的先天不足。人们也借鉴其它学科的一些三维加工技术并运用到MEMS中来。如采用电镀、粉末冶金、电火花技术等。这些技术很多与硅基的微电子集成模式又没有很好的兼容性。 b. 在产品市场开发中，MEMS产品取代传统产品遇到很多困惑。人们往往关注MEMS产品能否比传统产品具有更高的技术指标，而忽略了MEMS技术带来的其它优势和特点。 c. 很多正在开发的MEMS产品在性能上似乎总是接近但有不容易完全达到应用对指标的要求。相差不是很远但最后一段路往往十分漫长。 所以，从目前来看，在MEMS技术体系框架内实现关键技术突破，尽快使MEMS传感器能够达到应用的要求，这一点对MEMS技术实用化进程的成功十分重要。 2． 对MEMS技术与微传感器性能间关系的认识 首先应该认识到MEMS技术的复杂性和技术混合性远远不能同CMOS电路制造标准技术相比。简单依靠目前现有和成熟的所谓标准MEMS技术，往往使传感器性能不能达到要求。比如解决压阻式微压传感器线性化问题，需要考虑微机械膜片结构本身的力学非线性和半导体压阻效应非线性两方面。另外可能还要考虑介质隔离等封装因素造成的非线性。再如对待电容式微加速度传感器的分辨力问题，不能只考虑芯片电容本身，还要考虑结构中、引线中和接口电路中各种寄生电容效应的影响，当然还要考虑C－V变换等信号处理环节引入的噪声。另外对于诸如微振动陀螺机械耦合作用的影响、光开关运动行程与响应速度间的矛盾、通讯用RF谐振器高工作频率与超小谐振子驱动检测对面积要求的矛盾等等问题， 目前不能简单依靠一种标准技术来完全解决，而只能Case by case 对症下药，攻克技术难关。在认识上和研究问题出发点上，要认识到MEMS技术与标准IC技术的区别；在研究中要充分发挥MEMS技术组合中的灵巧性和艺术性；充分发挥人的作用，在MEMS产品开发中起决定性的作用。 3．举例论述提高MEMS传感器性能的具体措施 3．1．敏感材料改进在传感器中的作用 参见文献[1]和[2]，在微管道流体系统研究中需要高灵敏度和稳定的压力传感器阵列。常规产品技术难以满足表面微机械密集排列阵列器件的要求，而表面微机械压阻传感器采用多晶硅压阻时会遇到灵敏度低和稳定性欠佳的问题。为解决现实与需求的矛盾，采用了一种金属诱导再结晶的工艺来制造敏感电阻，在绝缘膜片上制造出了类似于单晶的电阻条。这样显著提高了压力灵敏度和温度稳定性，满足了微流体测量的需要。 3．2．器件结构的改进 参见文献[3]，为解决电容压力传感器输出非线性严重的问题而有避免进行复杂的信号处理，采用了一种单面推挽微机械结构，使传感器在二极管电桥输出时实现了高线性度。再如为了减小表面微机械麦克风中敏感膜片应力对灵敏度的降低，同时避免因采用波纹膜片释放应力时产生膜片刚度提高的负面影响，在文献[4]中采用了一种深盆腔膜片结构。即释放了薄膜应力，也减小了膜片本征刚性，实现了较高的声音灵敏度。 3．3．现有工艺改进对器件性能的改进 为解决压阻式微压传感器非线性问题，梁－膜－岛结构是很好的选择[5]。但正面加工梁区将不利于正面压阻的光刻。另外希望有较小质量的岛（较薄的岛）来减小惯性灵敏度和提高频响。文献[6]中介绍的一种在普通各向异型腐蚀基础上发明的掩模－无掩模两步腐蚀方法，可以在一个光刻图形之下腐蚀实现多层立体微结构。用该技术制作的微压传感器实现了高灵敏度和高线性度[7]。同样，利用无掩模腐蚀还实现了正交复合梁结构的压阻式微陀螺[8]。因此对制作工艺的改进可以实现多种器件并改善器件特性。 3．4．工作原理的改进对器件性能的影响 传统的微机械压阻加速度传感器往往采用梁弯曲获得应力实现敏感输出。这样加速度带来的应力总是只有一小部分被压阻条检测出来。因此传感器灵敏度往往较低。如果靠减小微机械梁刚度来提高灵敏度，往往有使频率带宽降低很多。因此输出灵敏度和自由振动频率乘积作为一种综合性能参数，在没有重要技术突破下很难得到提高。一种新的设计是微梁直拉直压的加速度传感器[9]。三梁结构传感器的可动质量块动能绝大部分反映到直拉或直压微梁的应力势能中，用整个微梁作为压敏电阻，从而提高了输出灵敏度和自由振动频率乘积达一个量级以上。再如MEMS谐振器，往往由于一些驱动技术限制造成振动幅度不够，影响了器件的工作特性。文献[10]中提出了一种两自由度(2-DOF)谐振器，通过巧妙的参数设计，使谐振器的力学灵敏度大大提高。将该技术应用到谐振式微陀螺中，可以提高角速度检测信号幅度，有利于提高测量分辨力。使用同样的技术，使NEMS谐振器的驱动问题得到了很好的解决。该种NEMS谐振器可以对质量的测量趋近和达到原子级分辨力[11,12]。 4． 总结语 采用多种手段，在器件材料、结构、制作工艺或器件工作原理等方面进行针对具体应用问题的技术改进，可以有力促进MEMS传感器面向应用实现实用化和产品化。只有当更多种MEMS传感器相继实现了产业化，使应用市场真正意识到MEMS技术的先进性的时候，投资者才会对MEMS技术和MEMS传感器技术投入更大的热情和资金，MEMS事业就会有更大的发展。反过来MEMS技术的研究就会有更大的推动力。
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温湿度传感器(国产)-DA系列位移传感器 |