MEMS传感器是当今最热门的传感器种类,MEMS技术使传感器微型化、低功耗、集成化成为可能,是未来传感器技术的发展方向之一。
本文编译自传感器宝典——《现代传感器手册——原理、设计和应用》,说明了MEMS电容式传感器、MEMS触觉传感器、MEMS压电式加速度计等常见传感器的原理和构造,可选自己感兴趣的部分MEMS传感器知识阅读。
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传感器技术的演进趋势,是向着超小型化或微系统技术(MST)发展。这方面的一个子系统就是MEMS(微电系统)。MEMS器件兼具电子和机械部件,这意味着其中至少有一种可移动或可形变的部件,而电则是其运作的必需部分。
另一个子系统称为MEOMS(微光机电系统),基于微电子光学的系统。顾名思义,这种器件中至少有一个部件是光学组件。采用MEMS或MEOMS方法制造的传感器,大都是三维器件,其尺寸在微米量级。
微工程学的两大构成,是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学,已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。
微工程学的主要目的之一,就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中,制造完全集成化的系统(微系统)。与微电子工业中制造的硅芯片一样,这种系统也同样具有低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。
硅微细加工技术也是已充分开发的微细加工技术之一,因此硅成为用于微系统制造的最佳材料。硅材料有着十分有用的电特性和机械特性。利用这些特性,通过MEMS加工技术,硅材料可广泛用于诸如压力、温度、力及触觉传感器等器件的制造。
利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法,薄膜和光刻制备工艺等,能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。这些大批量制造技术可用于制造复杂和微型的机械部件,这是用方法难以做到的。
本文编译自《现代传感器手册——原理、设计和应用》(第四版,2010年;作者:雅各布•弗瑞登)一书。所谓手册者,即在偏重于实用和参考价值。希望通过本文,可以对如何在具体的细节上设计和制造MEMS类传感器产品窥知一二,进而启迪思维,促进创新。
电容式位移传感器具有十分广泛的应用,它们直接用于测量位移和位置,也用于能够产生位移的力、压力、温度等等传感器的构建模块。电容式探测器几乎对所有材料敏感的特性,使其成为很多应用的诱人选择。
公式(1)表明,平板电容器的电容反比于平板之间的距离。电容式测量、接近和位置传感器的工作原理,或是基于几何结构的改变(即电容器极板之间的距离),或是在导电或介电材料存在时基于电容值的变化。
电容变化时,可转换成变化的电信号。如同很多传感器一样,电容式传感器可以是单极的(仅使用一个电容器),差动的(使用两个电容器),或采用电容式电桥(使用四个电容器)。使用两个或四个电容器时,其中一个或两个电容器可以是定值的,或是反相变化的。
作为一个入门的例子,考虑三个面积都为A的等间距极板(图1a)。这些极板形成两个电容C1和C2。给上、下极板施加反相的正弦波信号,即信号相位偏转180°。两个电容几乎彼此相等,因而中心极板对地几乎没有电压——C1和C2上的电荷互相抵消。我们假定中心极板向下移动距离x(图1b)。这导致各电容值发生变化:
中心极板的信号与位移成比例增加,信号的相位表明中心极板移动的方向——上或下。输出信号的幅值为
在另一种设计中,两个独立的极板采用MEMS技术制造(图2)。极板经硅的微机械加工制成。一个极板作为位移的测量,另一个作为基准。两个极板具有几乎相同的表面积,不过测量极板由四个柔性悬挂支撑,基准极板则由硬性悬挂固定。这种特殊设计对加速度计特别有用。
在很多实际应用中,测量至导电物体的距离时,物体的表面本身可以作为电容器的极板。一种单极电容式传感器设计示于图3,其中电容器的一个极板连接至同轴电缆的中心导线,另一个极板由目标(物体)构成。
注意这个探头极板由接地护套包围,以使边缘效应最小化,改善线性度。典型的电容式探头工作在3MHz范围的频率,能够非常快地探测移动目标,因为带有内置电子接口的探头的频率响应在40kHz的范围。
电容式接近传感器用于导电物体时效率很高。传感器测量电极和物体之间的电容。然而即使是对于不导电物体,这些传感器也能相当有效地使用,尽管精确度稍差。任何物体,不管是导体或非导体,置于电极附近时,都具有其自身的介电特性,会改变电极和传感器封装之间的电容量,进而产生可测量的响应。
为了改进灵敏度并减小边缘效应,可为单极电容式传感器提供有源屏蔽。有源屏蔽的目的是消除感应电极和目标物体的无关部分之间的电场,从而使寄生电容几乎不存在。有源屏蔽围绕电极的非工作侧配置,施加与电极相等的电压。因为屏蔽和电极电压同相且幅度相同,在这两者之间和所有位于屏蔽内的部件之间都没有电场存在,对操作不会有影响。有源屏蔽技术在图4中加以说明。
现在,电容式电桥在位移传感器设计中越来越常见。一种线性电桥式电容位置传感器示于图5a。传感器由两组平面电极组件构成,平面相互平行,以恒定的间距d相邻。为增加电容,极板组之间的空间相对较小。固定极板组包括四个矩形组件,移动极板组包括两个矩形组件。所有六个组件具有大致相同的尺寸(一个边长为b,另一个边长为L)。在需要大范围的线性度时,每个极板的尺寸要在机械上实际能实现的情况下尽可能的大。固定组的四个电极在电路上交叉连接,从而形成电桥式电容回路。
电桥激发源提供正弦电压(5~50kHz),移动极板对之间的电压差由差动放大器检测,放大器输出连接至同步检波器的输入。具有固定间距的两个平行极板的电容,正比于一个极板直接面对另一极板相应区域的面积。图5b表示具有电容电桥结构的传感器的等效电路。电容器C1的值为
电容由同一公式导出。要注意相对的电容基本相等:C1=C3,C2=C4。处于完全对称位置的极板相互偏移,导致电桥失衡,产生差动放大器的相敏输出。电容电桥电路的优点是与任何电桥电路一样的:线性度和外部噪声的抑制。除了上述的平板电极,同样的方法可用于传感器的任何对称配置,例如探测转动。
加速度计需要特殊的、相对较重的部件,其移动滞后于加速度计外壳的移。
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