21微传感器与微执行器

3）微型隧道式加速度传感器 隧道效应 一个纳米尺度的极细探针与另一个导电的检测表 面形成两个电极，两极非常接近时（通常为1nm），电子穿 过两极之间的空隙形成隧道电流。当空隙增大时，电流以指 数函数衰减。空隙增大0.1nm，电流减小一个数量级，灵敏 度极高。 采用质量块-悬臂量结构。质量块上有一个极细的探针和检 测电极构成导电隧道。隧道电流的大小与质量块偏移有关， 从而可检测出加速度。也可采用静电力平衡方式，使质量块 和探针不动，由电压变化来测量加速度。这类微加速度传感 器灵敏度很高。


二、集成电路工艺 常规集成电路的制造工艺也是各种微传感器、微执行器 及微结构的关键工艺。 薄膜成形：氧化、金属化，化学气相淀积，外延。 掺杂技术：扩散，离子注入。 光刻技术：掩模制作、光刻胶的涂布，前烘，曝光、显 影，坚膜，蚀刻，去胶。 三、硅微机械加工技术 硅有很好的机械加工性能和电学性能，是微机械系统最常用 的材料。 1. 体微加工技术 包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。体 微加工技术能在硅衬底上制作三维结构，主要用来制作 微传感器和微执行器。典型器件有压力传感器、加速度 传感器、触觉传感器、微泵、微阀等，它们都依靠一个 振动膜或在结构中形成悬臂梁或桥来工作。

2）电容式压力传感器
把膜片制成电容器的一块电极板，当压力引
起膜片变形时，电容器两块电极板之间的距 离就发生变化，导致电容值变化。由电路测 出电容值的变化，从而测出压力。
2.微型加速度传感器 特点：尺寸和重量小。 1）压阻式微加速度传感器 玻璃－硅－玻璃的夹层结构。 中间层是一片极薄的硅悬臂 梁。梁的一端支撑在刚性的 边框上，另一端是自由端，上 面支撑一个金或硅重物作敏感质量块。在悬臂梁上 制有压阻式P型电阻。当传感器作加速度运动时， 质量块上下运动，在悬臂梁上产生应力和应变，梁 上的电阻阻值随着改变，由电路测出电阻的变化就 可测出对应的加速度。 实际应用的微加速度传感器常常具有二梁或四梁结 构。敏感质量块由2根或4根对称分布的梁支承，每 根梁上都有应变电阻元件构成的电桥。
2. 表面微加工技术 在硅基片上采用不同的薄膜淀 积和蚀刻方法，在硅表面上形成较薄的结构。主要 薄膜淀积技术有蒸镀、溅射、化学气相淀积等。主 要蚀刻方法是选择性湿法蚀刻和干法等离子蚀刻。 典型技术是牺牲层技术。元件以单晶硅片做衬底， 加入结构层和牺牲层。结构层主要是化学气相淀 积多晶和氮化硅。在结构层中嵌入牺牲层，材料 是二氧化硅。在后续工艺中利用化学蚀刻方法将 牺牲层材料溶解掉而不影响结构层本身。 3. 键合技术 就是连接技术。把微传感器、微执行 器和较复杂的微结构连接成一体。包括硅－硅直接 键合，静电键合，界面层辅助键合。

五、封装技术 作用 微机械结构支撑、保护和隔离，与其他系 统的电气连接，为芯片提供散热和电磁屏蔽，提 高芯片的机械强度和抗外界冲击的能力等。 微机电系统封装技术大都由集成电路封装技术发 展和演变而来。但比集成电路更复杂，成本也更 高，封装成本可占总成本的70％甚至更多。
18.3 微传感器
1.微型压力传感器 是最早和最成功的微机电器件，在生物医疗领域和汽车中获 得了广泛应用。 基本结构 由硅片腐蚀而成的膜片，厚10－25μm。膜片在压 力作用下产生变形，变形的大小与压力对应。 1）压阻式压力传感器 工作原理——电阻应变效应。敏感 元件是杯状硅膜（几十微米），称“硅杯”。 在硅膜片上用扩散掺杂法做成4个 相等的P形硅的压敏电阻，并用蒸 镀法制成电极和电桥。被测压力使膜 片变形并使电阻变化，由电桥的输出 电压可推算出被测压力。
第十八章 微传感器与微执行器 18.1微机电元件的应用



微机电系统（MEMS，Micro Electro Mechanical System） 被公认为是生机勃勃、潜力巨大的领域。它的基础是微电子 技术，基本组成部分是微传感器、微执行器和微处理器，特 征尺寸由μm至mm。目前完整的微机电系统很少，但微传感 器和微执行器作为独立元件，已经在很多装置和领域获得应 用。 例如汽车中，硅微压力传感器用来测量气压，硅微加速度计 作为安全气囊传感器。再如计算机外设中的摄像头、喷墨打 印头、硬盘读写头中都应用了微机电技术， 促进微机电元件发展的最大动力来自于军事应用和航空航天 应用。以微振动陀螺和微加速度计为代表的微惯性元件，不 仅应用于导弹、航天器中，也可应用于常规武器引信中，用 以提高弹丸爆炸的准确性和杀伤威力。而微机器人、微飞行 器，更具有诱人的应用前景。


四、光刻电铸模造工艺 德文缩写为LIGA。深度X射线刻蚀（LI）、电铸 成型（G）、塑料铸模（A）。 优点：可制造较大高宽比的微结构，如宽度为数 微米、高度接近1000μm的结构；取材广泛，原 材料可以是金属、塑料、高分子材料、玻璃、陶 瓷等；可制作任意复杂图形结构，精度高。 缺点：工艺设备昂贵，生产成本高，生产周期长。

2）电容式微加速度传感器 基本结构也是极薄的硅悬臂梁，但它形成电容，质 量块位移引起电容变化，依此检测加速度。 电容与质量块的位移之间不是线性关系，而且位移 大时非线性严重，所以实际的传感器多采用力平衡 式的工作方式。即，加速度引起质量块的位移，根 据位移和电容的变化，通过控制电路产生静电力使 质量块返回原位置。根据静电电压大小就可确定加 速度。这种方式的传感器精度可以很高。 力平衡式电容加速度传感器有两大类：体微加工的 器件和表面微加工的器件。体微加工的器件供航天 导航用。它们非常灵敏，精度很高，但工艺复杂， 难以批量生产。在汽车上用的加速度传感器，采用 表面微加工技术制造，并将敏感电容、控制和放大 电路与微机械结构集成一体。
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18.2 微机电器件的加工技术与工艺
一、传统超精密与特种加工技术
传统的超精密加工技术包括钻、铣、磨等，
可以加工各种材料，和形状复杂且精度较高 的微构件。缺点是加工精度、装配方法及与 电子元器件和电路的兼容性不够好。 特种加工主要有电火花加工以及各种高能束 加工（激光束、电子束、离子束）等。对加 工对象的机械力学性能无要求，加工时不存 在机械应变或大面积的热应变。加工精度较 高，加工深度较大。