mems電容傳感器：MEMS傳感器
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MEMS傳感器
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本詞條由“科普中國”科學(xué)百科詞條編寫與應(yīng)用工作項目
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MEMS傳感器即微機電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical Systems），是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。截止到2010年，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中MEMS傳感器占相當大的比例。MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。
中文名
MEMS傳感器
外文名
MEMS SENSOR
含 義
微機電系統(tǒng)
涉 及
電子、機械、材料、物理學(xué)
目錄
1
應(yīng)用
2
研究現(xiàn)狀
3
分類
4
總結(jié)
MEMS傳感器應(yīng)用
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語音
1.應(yīng)用于醫(yī)療MEMS傳感器應(yīng)用于無創(chuàng)胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術(shù)性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數(shù)很難測量準確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護儀，價格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產(chǎn)生很大的不利作用。盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復(fù)性的檢查及家庭使用。基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無創(chuàng)胎心檢測方法，研制出一種簡單易學(xué)、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。通過加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實現(xiàn)差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。基于MEMS加速度傳感器設(shè)計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監(jiān)護系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號采集分析監(jiān)護主機給出自動分析結(jié)果，醫(yī)生對該結(jié)果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫(yī)院來。該技術(shù)有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。2.應(yīng)用在汽車電子
應(yīng)用在汽車中的MEMS傳感器
MEMS壓力傳感器主要應(yīng)用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測質(zhì)量組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。例如汽車在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道，通常，它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。3.應(yīng)用于運動追蹤系統(tǒng)在運動員的日常訓(xùn)練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結(jié)果分析，反復(fù)比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應(yīng)用。在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數(shù)據(jù)外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。4.應(yīng)用在手機拍照領(lǐng)域在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現(xiàn)防抖(簡稱鏡頭防抖技術(shù))，受到很大的局限。而另一個在市場上較高端的防抖技術(shù)：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動，但由于這個技術(shù)體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上應(yīng)用。憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術(shù)MEMS Drive類似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達，帶動圖像傳感器在三個旋轉(zhuǎn)軸移動。MEMS Drive 的防抖技術(shù)是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動，依靠精密算法，計算出馬達應(yīng)做的移動幅度并做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內(nèi)做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。手機拍照帶給我們隨時隨地的便捷，但是面對復(fù)雜的環(huán)境、多樣的拍照場景，人手拍照有無法避免的抖動，像是走著跑著躺著拍照，或者把手伸長、手握自拍桿自拍，無論哪種抖動，憑借MEMS DRIVE馬達獨有的五軸防抖，和快速、精準控制的技術(shù)優(yōu)勢，都能呈現(xiàn)出更清晰更銳麗的圖片
[1]
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MEMS傳感器研究現(xiàn)狀
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語音
1、微機械壓力傳感器微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%～0.01%,年穩(wěn)定性達0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上,并能進行大范圍下的全溫補償。現(xiàn)階段微機械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下幾個方面。(1)將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。(2)進一步提高壓力傳感器的靈敏度，實現(xiàn)低量程的微壓傳感器。(3)提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。(4)開發(fā)諧振式壓力傳感器。2、微加速度傳感器硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型。國內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。3、微機械陀螺角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用。實際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性鼠標、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。常見的微機械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)、振動環(huán)結(jié)構(gòu)等。但是，實現(xiàn)的微機械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需的0.1°/h相差尚遠。4、微流量傳感器微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時間短，適合于微流體的精密測量和控制。國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導(dǎo)式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。清華大學(xué)精密儀器系設(shè)計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應(yīng)力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線性度優(yōu)于5%。5、微氣體傳感器根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，因而要同時制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮。諧振式氣敏傳感器不需要對器件進行加熱，且輸出信號為頻率量，是硅微氣敏傳感器發(fā)展的重要方向之一。北京大學(xué)微電子所提出的1種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，由硅梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。硅梁被置于被測氣體中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質(zhì)量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO2氣體濃度的檢測實驗表明，在0×10～1×10的范圍內(nèi)有較好的線性，濃度檢測極限達到1×10，當工作頻率是19kHz時，靈敏度是1.3Hz/10。德國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到－0.099Hz/10的靈敏度。6、微機械溫度傳感器微機械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點，其固有熱容量僅為10J/K～10J/K，使其在溫度測量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢。開發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器。基于硅和二氧化硅兩種材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重復(fù)性誤差為1.63%，精度為1.9%。7、其他微機械傳感器利用微機械加工技術(shù)還可以實現(xiàn)其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學(xué)的PeterE等人設(shè)計的諧振式流體密度傳感器，浙江大學(xué)研制的力平衡微機械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機械力敏傳感器等
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MEMS傳感器分類
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語音
1、MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測流量范圍廣，適用于各種需求的流量計測。2、MEMS壓力傳感器：性能偏差小的MEMS壓力傳感器。3、MEMS非接觸溫度傳感器：對靜止人體也能檢測，高靈敏度的人體感應(yīng)傳感器。4、MEMS開關(guān)：高頻，小型，長壽命的MEMS開關(guān)。
MEMS傳感器總結(jié)
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中國在?MEMS?傳感器領(lǐng)域的研究較晚，但已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國的部分專利權(quán)的創(chuàng)新主體協(xié)同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中的資金阻滯，又有助于引導(dǎo)企業(yè)或單位技術(shù)創(chuàng)新意識，從而提高我國創(chuàng)新驅(qū)動效率，促進經(jīng)濟快速而穩(wěn)健的發(fā)展
[3]
。’
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參考資料
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2019-12-25 10:21:25
2023年MEMS晶圓廠將占所有MEMS和傳感器建成工廠的46%
SEMI預(yù)測，2023年，MEMS晶圓廠將占所有MEMS和傳感器建成工廠的46%。圖像傳感器工廠將占總數(shù)的40％，其他工廠-同時生產(chǎn)MEMS和圖像傳感器的工廠為14％。
2019-11-08 08:53:05
MEMS傳感器你了解多少
MEMS生物傳感器目前處于發(fā)展初期。MEMS生物傳感器是利用生物分子探測生物反應(yīng)信息的器件。
2019-07-25 14:19:25
MEMS空氣聲矢量傳感器
北京大學(xué)微納電子學(xué)系高成臣教授課題組依托MEMS工藝平臺，經(jīng)過6年的持續(xù)研究，在國內(nèi)首次研制出了高性能的熱式聲粒子振速傳感器，并完成了聲粒子振速傳感器與聲壓傳感器的系統(tǒng)集成，制作出了高性能的MEMS空氣聲矢量傳感器，該傳感器能夠完成聲壓信號的全信息檢測。
2019-05-27 10:37:07
探討全球MEMS傳感器發(fā)展趨勢
IC Insights最新發(fā)布的報告預(yù)測，2018年，全球傳感器市場規(guī)模將達到93億美元，其中MEMS傳感器銷售額占比73%。報告還指出,未來MEMS傳感器和執(zhí)行器將會越來越針對某些特定應(yīng)用，而這些特定應(yīng)用將會是MEMS傳感器的強心劑！
2018-09-07 09:41:52
主要MEMS傳感器種類及供應(yīng)商
MEMS生物傳感器目前處于發(fā)展初期。MEMS生物傳感器是利用生物分子探測生物反應(yīng)信息的器件，被列為新世紀五大醫(yī)學(xué)檢驗技術(shù)之一，是現(xiàn)代生物技術(shù)與微電子學(xué)、化學(xué)等多學(xué)科交叉結(jié)合的產(chǎn)物。未來MEMS生物傳感器在醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展空間。
2018-07-31 09:55:00
MEMS傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域與主要MEMS傳感器種類及供應(yīng)商
MEMS讓傳感器小型化、智能化，MEMS傳感器將在智慧工業(yè)時代大有可為。MEMS溫度、濕度傳感器可用于環(huán)境條件的檢測，MEMS加速度計可以用來監(jiān)測工業(yè)設(shè)備的振動和旋轉(zhuǎn)速度。高精度的MEMS加速度計和陀螺儀可以為工業(yè)機器人的導(dǎo)航和轉(zhuǎn)動提供精確的位置信息。
2018-04-12 11:25:45
士蘭微宣布2018年將重點布局MEMS傳感器 或可能搶占國內(nèi)中高端MEMS傳感器市場
據(jù)報道，通過蘭微電子2017年年度業(yè)績預(yù)增公告來看，2018年士蘭微將重點布局MEMS傳感器市場，國產(chǎn)化進程提速，MEMS傳感器應(yīng)用前景一片大好，士蘭微或?qū)屨紘鴥?nèi)中高端MEMS傳感器市場。
2018-01-30 14:19:07
MEMS傳感器概念、分類等基礎(chǔ)知識詳解
關(guān)于MEMS傳感器的基礎(chǔ)知識，你了解多少？本文將從MEMS傳感器的概念、制造及工藝、MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別、MEMS傳感器的分類幾大部分詳解，幫助初識MEMS傳感器的讀者快速了解這一重要器件。
2016-12-06 10:47:22
MEMS傳感器種類及國內(nèi)外生產(chǎn)廠商
在物聯(lián)網(wǎng)市場的帶動下，傳感器產(chǎn)品國產(chǎn)化需求不斷增大，MEMS傳感器產(chǎn)品正在被越來越廣泛的應(yīng)用。本文將介紹MEMS的傳感器種類以及國內(nèi)外MEMS運動傳感器、壓力、麥克風、環(huán)境、生物傳感器的生產(chǎn)廠商。
2016-11-01 15:50:05
MEMS壓力傳感器原理及應(yīng)用詳解
目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機電傳感器。
2016-10-27 11:50:58
電容式與熱式MEMS傳感器的部分差異
對于電容式和熱式MEMS傳感器來說，兩種技術(shù)最大的區(qū)別在于其不同的傳感技術(shù)。
2016-06-13 02:27:00
Mouser備貨 Murata微型ZPA系列電容式MEMS壓力傳感器
貿(mào)澤電子 （Mouser Electronics） 即日起開始分銷Murata的ZPA系列 MEMS壓力傳感器。該小型 （2.3 × 2.6 mm） 微機電系統(tǒng) （MEMS） 傳感器可提供范圍在300至 1，100 hPa之間、分辨率低至0.016 Pa的高精度壓力讀數(shù)。
2015-12-25 13:47:42
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mems電容傳感器：MEMS硅膜電容式壓力傳感器的基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計
描述
基本原理和結(jié)構(gòu)
電容式壓力傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。式中：ε0為真空中的介電常數(shù);t為絕緣層的厚度;εr為絕緣層的相對介電常數(shù);g為零載荷時電容器兩極板之間的初始距離;ω（x，y）為極板膜的中平面的垂向位移。
由公式可知，外界壓力通過改變電容的極板面積和間距來改變電容。隨著壓力慢慢增大，電容因極板間距減小而增大，此時電容值由非接觸電容來決定;當兩極板接觸時，電容的大小則主要由接觸電容來決定。
傳感器的設(shè)計與制造
敏感薄膜是傳感器最核心的部件，其材料、尺寸和厚度決定著傳感器的性能。
目前敏感薄膜的材料多采用重摻雜p型硅、Si3N4、單晶硅等。這幾種材料都各有優(yōu)缺點，其選擇與目標要求和具體工藝相關(guān)。硅膜不破壞晶格，機械性能優(yōu)異，適于陽極鍵合形成空腔，從簡化工藝的目的出發(fā)，本方案選擇硅膜。
利用有限元分析軟件ANSYS對接觸式結(jié)構(gòu)的薄膜工作狀態(tài)進行了模擬。材料為Si，膜的形狀為正方形，邊長1000 μm，膜厚5 μm，極板間距10 μm。在1.01×105Pa的大氣壓力下，薄膜中央接觸部分及四個邊角基本不受應(yīng)力，四邊中央應(yīng)力最大為1.07 MPa，小于硅的屈服應(yīng)力7 MPa，其應(yīng)力分布如圖2所示。
整個制造流程都采用標準工藝，如圖3所示。先熱氧化100 nm的SiO2，既作為腐蝕Si的掩膜，又作為電容兩電極的絕緣層。利用各向異性腐蝕形成電容空腔和將來露電極的停刻槽，如果硅片厚度一致且KOH腐蝕速率均勻，此法可以在相當程度上等效于自停止腐蝕。從玻璃上引出電容兩電極，然后和硅片進行陽極鍵合。鍵合片利用KOH腐蝕減薄后反應(yīng)離子深刻蝕露出測量電極。
關(guān)鍵工藝
4.1 KOH各向異性腐蝕
在各種各向異性腐蝕方法里面，KOH腐蝕簡單實用，成本低廉。在硅片大面積、大深度腐蝕的情況下，KOH腐蝕容易影響硅片表面的形狀和光潔度，如何選擇合適的溶液配比起著重要的作用。在KOH質(zhì)量分數(shù)為20%～40%，硅片電阻率為0.05 ω？cm，80℃水浴恒溫的條件下，隨著KOH濃度的提高，腐蝕表面有著很明顯的變化：凸起的小丘逐漸由圓錐變成八棱錐進而變成四棱錐，如圖4（a）所示，棱錐高度多為幾十微米，底邊長一兩百微米;提高KOH濃度，小丘消失，出現(xiàn)四棱臺，如圖4（b）所示，棱臺深度多為幾個微米，底邊長一兩百微米;再加大KOH濃度，小坑形狀發(fā)生變化，完整的四棱臺坑幾乎消失，多為斜坡狀的半四棱臺小坑，如圖4（c）所示，坡高1～2μm，邊長10μm以內(nèi)。
四棱錐和四棱臺的四個斜面對應(yīng)于腐蝕速率最低的（111）系列晶面。當濃度較低時，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比小，所以出現(xiàn)小丘;當濃度增大時，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比增大，所以出現(xiàn)小坑;濃度達到一定程度后，（100）和（111）晶面的腐蝕速率比趨于穩(wěn)定，依然出坑，而（110）和（111）晶面的腐蝕速率比增大，從而產(chǎn)生斜坡。只有調(diào)整KOH的濃度，得到匹配的（100）、（110）、（111）晶面的腐蝕速率，才能獲得較好的腐蝕表面。試驗還表明，溫度主要影響腐蝕速率，對硅片腐蝕形貌影響不大。
4.2 陽極鍵合
目前真空腔的形成多采用Si—Si鍵合或者陽極鍵合。本方案采用陽極鍵合，是因為陽極鍵合比Si—Si鍵合的要求低。首先溫度只需要400～500℃，其次表面光潔度要求也相對較低。本工藝過程中存在金屬電極，不適于用高溫;鍵合面存在高約1400 nm，寬為20μm的電極引線，鍵合面的SiO2經(jīng)過一定程度的KOH各向異性腐蝕后粗糙度為100nm左右，經(jīng)過試驗證明，鍵合情況良好（圖5），并具有良好的密封效果。
4.3 反應(yīng)離子深刻蝕
反應(yīng)離子深刻蝕（DRIE）能刻出非常深的垂直結(jié)構(gòu)，本試驗用于最后硅薄膜的形成。DRIE的刻蝕效果（刻深為250 μm）沒有KOH腐蝕的平坦，刻蝕表面比較粗糙，表面顆粒起伏為幾個微米，如圖6。此外刻蝕存在不均勻性，75 mm硅片四周已經(jīng)刻到電極露出，而硅片中央的電極還沒有露出。深刻蝕的不均勻性與刻蝕表面的圖形有著密切的聯(lián)系，但其中的成因和機理目前還沒有具體合理的理論和解釋說明。因而無法從理論上指導(dǎo)規(guī)劃刻蝕表面的形狀設(shè)計，更多的是依靠經(jīng)驗手動凋整。
試驗結(jié)果與分析
制成的傳感器樣片。薄膜尺寸為2 mm×2 mm，膜厚理淪設(shè)計為10 μm，但由于硅片本身厚度存在±20 μm的起伏誤差，且經(jīng)過KOH各向異性腐蝕以及反應(yīng)離子深刻蝕之后已經(jīng)難以保證設(shè)計要求，實際膜厚10～30μm不等。
在室溫19.34℃的條件下，對壓力傳感器進行測量。測量設(shè)備為Druck的DPI610IS，測量電路采用了AD公司的AD7745電容測量芯片，精度能達到4 fF。測量曲線如圖7所示，測試精度為8.1‰。由于硅薄膜較厚，測量范圍內(nèi)的線性部分不多，此外電容電極的面積利用率不高使得電容的變化量也小，這些都是造成性能不高的主要原因，但由圖可以看出測量曲線存在很好的一致性和重復(fù)性。
結(jié)論
利用硅膜的良好機械特性，采用接觸式的結(jié)構(gòu)，通過簡單標準的工藝制造出了電容式壓力傳感器樣片。經(jīng)過對傳感器的測試和分析，證明這種傳感器可應(yīng)用于氣象壓力的測量。如何改進結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝制造，提高傳感器的測量精度是下一步研究工作的重點。
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mems電容傳感器：電容式傳感器的特點及工作原理解析
1 引言
用電測法測量非電學(xué)量時，首先必須將被測的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量而后輸入之。通常把非電學(xué)量變換成電學(xué)量的元件稱為變換器；根據(jù)不同非電學(xué)量的特點設(shè)計成的有關(guān)轉(zhuǎn)換裝置稱為傳感器，而被測的力學(xué)量（如位移、力、速度等）轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器稱為電容傳感器。
從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，電容變換器為無源變換器，需要將所測的力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電壓或電流后進行放大和處理。力學(xué)量中的線位移、角位移、間隔、距離、厚度、拉伸、壓縮、膨脹、變形等無不與長度有著密切聯(lián)系的量;這些量又都是通過長度或者長度比值進行測量的量，而其測量方法的相互關(guān)系也很密切。另外，在有些條件下，這些力學(xué)量變化相當緩慢，而且變化范圍極小，如果要求測量極小距離或位移時要有較高的分辨率，其他傳感器很難做到實現(xiàn)高分辨率要求，在精密測量中所普遍使用的差動變壓器傳感器的分辨率僅達到1～5 μm數(shù)量級;而有一種電容測微儀，他的分辨率為0.01 μm，比前者提高了兩個數(shù)量級，最大量程為100±5 μm，因此他在精密小位移測量中受到青睞。
對于上述這些力學(xué)量，尤其是緩慢變化或微小量的測量，一般來說采用電容式傳感器進行檢測比較適宜，主要是這類傳感器具有以下突出優(yōu)點：
（1）測量范圍大其相對變化率可超過100%;
（2）靈敏度高如用比率變壓器電橋測量，相對變化量可達10-7數(shù)量級;
（3）動態(tài)響應(yīng)快因其可動質(zhì)量小，固有頻率高，高頻特性既適宜動態(tài)測量，也可靜態(tài)測量;
（4）穩(wěn)定性好由于電容器極板多為金屬材料，極板間襯物多為無機材料，如空氣、玻璃、陶瓷、石英等;因此可以在高溫、低溫強磁場、強幅射下長期工作，尤其是解決高溫高壓環(huán)境下的檢測難題。
2 原理及應(yīng)用
電容傳感器的工作原理是利用力學(xué)量變化使電容器中其中的一個參數(shù)發(fā)生變化的方法來實現(xiàn)信號變換的。根據(jù)改變電容器的參數(shù)不同，電容傳感器可有3類：
2.1 改變極板遮蓋面積的電容傳感器
圖1是3種這類傳感器的原理圖，圖1（a）中是利用角位移來改變電容器極板遮蓋面積。假定當2塊極板完全遮蓋時的面積為S0，兩極板間的距離為d，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε。當忽略邊緣效應(yīng)時，該電容器的電容量為：
如果其中一塊板極相對另一極板轉(zhuǎn)過θ角，則極板間的相互遮蓋面積為：
可見，此電容量的變化值和角位移成正比，以此用來測量角位移。
圖1（b）中是利用線位移來改變電容器極板的遮蓋面積的。如果初始狀態(tài)極板全部遮蓋，則遮蓋面積S0=ab，當2塊極板相對位移x時，則極板的遮蓋面積變?yōu)镾1=b（a-x）。在介電常數(shù)和極板距離不變時，電容量分別為：
可見，此電容量的變化值和線位移x成正比，用他來測量各類線位移。
圖1（c）所示電容變換器是圖1（b）所示電容器的變種。采用這種鋸齒形電極的目的在于提高傳感器的靈敏度。若鋸齒數(shù)為n，尺寸如圖1（b）所示不變，當運動齒相對于固定齒移動一個位移x時，則可得：
比較式（2）和式（3）可見，靈敏度提高了n倍。
2.2 改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容傳感器
圖2是2種改變介質(zhì)介電常數(shù)的電容式傳感器的原理圖。圖2（a）常用來檢測液位的高度，圖2（b）常用來檢測片狀材料的厚度和介電常數(shù)。
圖2（a）中由圓筒1和圓柱2構(gòu)成電容器兩極，假定部分浸入被測量液體中（液體應(yīng)不能導(dǎo)電，若能導(dǎo)電，則電極需作絕緣處理）。這樣，極板間的介質(zhì)由2部分組成：空氣介質(zhì)和液體介質(zhì)，由此而形成的電容式料位傳感器，由于液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。這種方法測量的精度很高，且不受周圍環(huán)境的影響。總電容C由液體介質(zhì)部分電容C1和空氣介質(zhì)部分電容C2兩部分組成：
x — 電容器浸入液體中的深度;
R — 同心圓電極的外半徑;
r — 同心圓電極的內(nèi)半徑;
ε1 — 被測液體的介電常數(shù);
ε2 — 空氣的介電常數(shù)。
當容器的尺寸和被測介質(zhì)確定后，則h，R，r，ε1和ε2均為常數(shù)，令：
這說明，電容量C的大小與電容器浸入液體的深度x成正比。
圖2（b）是在一個固定電容器的極板之間放入被測片狀材料，則他的電容量為：
式中：S — 電容器的遮蓋面積;
d1 — 被測物體上側(cè)至電極之間的距離;
d2 — 被測物體的厚度;
d3 — 被測物體下側(cè)至電極之間的距離;
ε1 — 被測物體上側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù);
ε2 — 被測物體的介電常數(shù);
ε3 — 被測物體下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)。
由于d1+d3=d-d2，且當ε1=ε3時，式（5）還可寫為：
式中d — 兩極板之間的距離。
顯然，在電容器極板的遮蓋面積S，兩極板之間的距離d，被測物體上下側(cè)至電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)ε1和ε3確定時，電容量的大小就和被測材料的厚度d2及介電常數(shù)ε2有關(guān)。如被測材料介電常數(shù)ε2已知，就可以測量等厚教材料的厚度d2;或者被測材料的厚度d2已知，就可測量其介電常數(shù)ε2。這就是電容式測厚儀和電容式介電常數(shù)測量儀的工作原理。
3改變極板間距離的電容傳感器
圖3是這類傳感器的原理圖，圖3（a）由2塊極板構(gòu)成，其中極板2為固定極板，極板1為與被測物體相連的活動極板，可上下移動。當極板間的遮蓋面積為S，極板間介質(zhì)的介電常數(shù)為ε，初始極板間距為d0時，則初始電容C0為：
當活動極板1在被測物體的作用下向固定極板2位移Δd 時，此時電容C為：
當電容器的活動極板1移動極小時，即Δd《
這時電容器的變化量ΔC才近似地和位移Δd成正比。其相對非線性誤差為：
顯然，這種單邊活動的電容傳感器隨著測量范圍的增大，相應(yīng)的誤差也增大。在實際應(yīng)用中，為了提高這類傳感器靈敏度、提高測量范圍和減小非線性誤差，常做成差動式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。兩邊是固定的電極板1和2，中間由彈簧片支承的活動極板3。2個固定極板與互感器兩端及交流電源U相連接，活動極板連接端子和互感器中間抽頭端子為傳感器的輸出端，該輸出端電壓ΔU隨著活動極板運動而變化。若活動極板的初始位置距2個固定極板的距離均為d0，則固定極板1和活動極板3之間 ，固定2和活動極板3之間的初始電容相等，若令其為C0。當活動極板3在被測物體作用下向固定極板2移動Δd時，則位于中間的活動極板到兩側(cè)的固定極板的距離分別為：
由上述推導(dǎo)可知，活動極板和2個固定極板構(gòu)成電容分別為：
當他們做成差動式電容器及互感器電橋組合結(jié)構(gòu)時，其等效電容為：
雖然電容的變化量仍舊和位移Δd成非線性關(guān)系，但是消除了級數(shù)中的偶次項，使線性得到改善。當時（在微小量檢測中，如線膨脹測量等，一般都能滿足這個條件），略去高次項，得：
比較式（9）和式（7）可見，靈敏度提高了1倍。
比較式（10）和式（8）可見，在1時，非線性誤差將大大下降。
