和傳(chuan) 統的傳(chuan) 感器相比，微型傳(chuan) 感器具有許多新特性，它們(men) 能夠彌補傳(chuan) 統傳(chuan) 感器的不足，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傳(chuan) 感器件的結構和原理，說明了微型傳(chuan) 感器的基本性能特點和微型傳(chuan) 感器的發展趨勢。

微型傳感器的特點

傳(chuan) 統的傳(chuan) 感器件因其製作工藝與(yu) 半導體(ti) IC 工藝不兼容，所以無論在性能、尺寸和成本上都不能與(yu) 通過IC 技術製作的高速度、高密度、小體(ti) 積和低成本的信號處理器件相適應，於(yu) 是製約了整個(ge) 係統的集成化、批量化和性能的充分發揮。

微型傳(chuan) 感器不是傳(chuan) 統傳(chuan) 感器簡單的物理縮小的產(chan) 物，而是以新的工作機製和物化效應，使用標準半導體(ti) 工藝兼容的材料，通過MEMS 加工技術製備的新一代傳(chuan) 感器件，具有小型化、集成化的特點，可以極大地提高傳(chuan) 感器性能。在信號傳(chuan) 輸前就可放大信號，從(cong) 而減少幹擾和傳(chuan) 輸噪音，提高信噪比;在芯片上集成反饋線路和補償(chang) 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。可以在一塊芯片上集成敏感元件、放大電路和補償(chang) 線路。可以把多個(ge) 相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性，便於(yu) 與(yu) 微電子器件集成與(yu) 封裝。

利用成熟的矽微半導體(ti) 工藝加工製造，可以批量生產(chan) ，成本非常低廉。

典型的微型傳感器

微機械加速度傳(chuan) 感器

它是最早利用MEMS 技術開發成功，並取得廣泛應用的微型傳(chuan) 感器之一。微加速度傳(chuan) 感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傳(chuan) 感器。

圖1 和圖2 分別給出了新型加速度傳(chuan) 感器作用原理和結構示意圖。在懸臂梁的端部有一擴散加熱電阻，加熱電阻通電後所產(chan) 生的熱量全部沿梁和上下兩(liang) 個(ge) 散熱板傳(chuan) 遞。向上下兩(liang) 個(ge) 散熱板傳(chuan) 導熱量的速率取決(jue) 於(yu) 加熱電阻與(yu) 散熱板間的距離，沿懸臂梁的溫度分布曲線由懸臂梁與(yu) 散熱板間的相對位置來確定。可以通過分布在懸臂梁上的P 型矽/ 鋁熱電偶對懸臂梁溫度的測量來測定懸臂梁與(yu) 兩(liang) 個(ge) 散熱板的相對位置，從(cong) 而實現對加速度的測量。

這種傳(chuan) 感器的熱電偶具有很高的靈敏度，能夠直接輸出電壓信號，可以省去複雜的信號處理電路，並且對電磁幹擾不敏感。在懸臂梁與(yu) 散熱板的間距為(wei) 140μm 和200μm、梁長為(wei) 100μm、梁寬為(wei) 4μm、梁厚為(wei) 10μm 時，傳(chuan) 感器的靈敏度為(wei) 1 mV/ g ，測量範圍為(wei) 25g ，分辨率為(wei) 0.003 g. 由於(yu) 結構中沒有大的質量塊，微機械熱對流式加速度傳(chuan) 感器具有很強的抗衝(chong) 擊能力，但其頻率響應範圍很窄 。

微機械角速度傳感器

對於(yu) 旋轉角速度和旋轉角度的檢測，需要采用陀螺儀(yi) 。基於(yu) MEMS 技術的微機械陀螺因其成本低，能批量生產(chan) ，可廣泛應用於(yu) 汽車牽引控製係統、醫用設備、軍(jun) 事設備等方麵。微機械陀螺有雙平衡環結構、懸臂梁結構、音叉結構等，其工作原理基於(yu) 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(nei) 部動齒框架及外部框架） 和2個(ge) 雙端音叉諧振器（DETF） 組成。質量塊通過4 個(ge) 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(wei) ωp）時，質量塊的內(nei) 部動齒框架作沿著y 軸方向的振蕩運動。如果一個(ge) 外部的繞z 軸的轉動（輸入信號Ω） 作用到芯片上，質量塊產(chan) 生沿x 軸方向的哥氏力，且通過內(nei) 支承梁轉移到外框架上， 外框架由兩(liang) 對支承梁固定並可沿x 軸方向運動，通過兩(liang) 對杠杆這個(ge) 力被放大並傳(chuan) 遞到外框架兩(liang) 邊的兩(liang) 個(ge) 雙端音叉諧振器（DETF） 上。DETF 上輸出信號頻率的變化就反映了輸入角速率的變化。

微機械陀螺的平麵外輪廓的結構參數為(wei) 1mm2 ，厚度僅(jin) 為(wei) 2μm. 而文獻給出的振動輪式矽微機械陀螺的直徑為(wei) 1 mm ，厚度為(wei) 19μm ，寬度為(wei) 5μm ，電極間距為(wei) 7μm.

微型氣敏傳感器

微型氣敏傳(chuan) 感器可分為(wei) 矽基氣敏傳(chuan) 感器和矽微氣敏傳(chuan) 感器。前者是以矽為(wei) 襯底，敏感層為(wei) 非矽材料，是當前微氣敏傳(chuan) 感器的主流。氣敏傳(chuan) 感器的敏感性能與(yu) 工作溫度有很大關(guan) 係，要求傳(chuan) 感器係統本身具備加熱元件和溫度探測元件。而基於(yu) MEMS 技術的微型氣體(ti) 傳(chuan) 感器具有高度集成化的特點，易於(yu) 將氣敏元件和溫度探測元件集成一體(ti) ，保證了氣敏傳(chuan) 感器性能。

圖4 是一種體(ti) 積僅(jin) 為(wei) 1 cm2 的二氧化碳氣體(ti) 傳(chuan) 感器結構示意圖。該氣體(ti) 傳(chuan) 感器的工作機理是基於(yu) 非散射的紅外雙光束、雙波長的測量原理 。它的結構包括一個(ge) 常規的小型紅外光源、一個(ge) 氣室和一個(ge) 紅外探測單元。紅外探測單元由兩(liang) 個(ge) 單晶矽微型熱輻射儀(yi) 、一個(ge) 寬帶濾波器和一個(ge) 微型可變紅外濾光片構成，參考信號源可以補償(chang) 由於(yu) 光源汙染產(chan) 生的測量信號衰減帶來的影響。在二氧化碳體(ti) 積分數2000 &TImes;10 - 6的樣氣中，該傳(chuan) 感器具有20 &TImes;10 - 6的分辨力（1σ） ，時間常數為(wei) 3 s.

微型光傳感器

圖5 是一種集成微型位移光傳(chuan) 感器的顯微照片。該傳(chuan) 感器基底麵積為(wei) 750μm &TImes;80μm ，單片集成激光二極管（LD） ，聚酰亞(ya) 胺光波導和分離式光電二極管（PD） 。它將來自LD 的光束照射到測量目標上，用分離式光電二極管探測其反射光斑。若物體(ti) 移位，則光電二極管上的光斑會(hui) 隨之移動。用雙分離式PD 的工作功率求出位移量，從(cong) 而可以高精度測量被測目標的位移。該傳(chuan) 感器的測量範圍為(wei) 7.2μm ，分辨率為(wei) 4 nm（光功率為(wei) 0.5 mW） 和1.7 nm（光功率為(wei) 1 mW） 。

微型電場傳感器

電場傳(chuan) 感器是基於(yu) 導體(ti) 在電場中產(chan) 生感應電荷的原理。圖6 提供了一種基於(yu) MEMS 技術設計的微型電場傳(chuan) 感器的結構圖。傳(chuan) 感器由振動和感應兩(liang) 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、屏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。屏蔽電極接地，其上有孔形陣列。傳(chuan) 感器工作時，激振電極對連接交流電壓源，通過兩(liang) 個(ge) 電極間的庫侖(lun) 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屏蔽電極周期性屏蔽的電場，產(chan) 生感應電流，經前置放大後接外部檢測電路。微電場傳(chuan) 感器彌補了一般電場傳(chuan) 感器體(ti) 積大、能耗高的缺點，可以應用於(yu) 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 。

微型傳感器的發展趨勢

微型傳(chuan) 感器的智能化

具有自診斷、自校準、自補償(chang) 功能，能夠實現對信息的存儲(chu) 和記憶，能夠完成多傳(chuan) 感器多參數混合測量和對信號數據的實時處理，並且實現數字量的輸出。

智能微型傳(chuan) 感器可以從(cong) 根本上改變傳(chuan) 統傳(chuan) 感器功能單一的狀況，把對物理信號的探測、分析和數字化處理集成。不僅(jin) 使傳(chuan) 感係統的性能得到極大地提高，而且能夠簡化傳(chuan) 感係統的設計，大大降低成本。

如今，在已經實現微型傳(chuan) 感器初步智能化的基礎上，人們(men) 正利用模糊理論和神經網絡等技術力圖實現微傳(chuan) 感器智能化的更高形態—分布式網絡化 。

微型傳(chuan) 感器的多功能化

借助於(yu) 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征方式，用單獨一個(ge) 傳(chuan) 感器係統來同時實現多種傳(chuan) 感器的功能，這是目前微型傳(chuan) 感器技術一個(ge) 全新的發展方向。

多功能微型傳(chuan) 感器可以對多種物理量進行探測。比如，微型數字式三端口傳(chuan) 感器就是同時采用熱敏元件、光敏元件和磁敏元件進行組配，從(cong) 而達到探測多種信號目的，這種組配方式的傳(chuan) 感器不但能夠輸出模擬信號，而且還能夠輸出頻率信號和數字信號。

多功能微傳(chuan) 感器在許多應用領域中可以全麵而準確的反映客觀對象。對它的研究多集中在觸覺敏感、嗅覺傳(chuan) 感以及視聽辨別等各類仿生傳(chuan) 感器上，比如由PVDF 材料、無觸點皮膚敏感係統以及橡膠觸覺傳(chuan) 感器等組成人造皮膚觸覺傳(chuan) 感器;由交叉選擇式氣體(ti) 傳(chuan) 感器陳列和恰當模式識別係統組成的，具有識別簡單和複雜氣味的能力的“電子鼻”等。