和傳統(tǒng)的傳感器相比，微型傳感器具有許多新特性，它們能夠彌補傳統(tǒng)傳感器的不足，具有廣泛的應(yīng)用前景，越來越受到重視。文中詳細(xì)介紹了一些微型傳感器件的結(jié)構(gòu)和原理，說明了微型傳感器的基本性能特點和微型傳感器的發(fā)展趨勢。

微型傳感器的特點

傳統(tǒng)的傳感器件因其制作工藝與半導(dǎo)體IC 工藝不兼容，所以無論在性能、尺寸和成本上都不能與通過IC 技術(shù)制作的高速度、高密度、小體積和低成本的信號處理器件相適應(yīng)，于是制約了整個系統(tǒng)的集成化、批量化和性能的充分發(fā)揮。

微型傳感器不是傳統(tǒng)傳感器簡單的物理縮小的產(chǎn)物，而是以新的工作機制和物化效應(yīng)，使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝兼容的材料，通過MEMS 加工技術(shù)制備的新一代傳感器件，具有小型化、集成化的特點，可以極大地提高傳感器性能。在信號傳輸前就可放大信號，從而減少干擾和傳輸噪音，提高信噪比;在芯片上集成反饋線路和補償線路，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?？梢栽谝粔K芯片上集成敏感元件、放大電路和補償線路?？梢园讯鄠€相同的敏感元件集成在同一芯片上；具有良好的兼容性，便于與微電子器件集成與封裝。

利用成熟的硅微半導(dǎo)體工藝加工制造，可以批量生產(chǎn)，成本非常低廉。

典型的微型傳感器

微機械加速度傳感器

它是最早利用MEMS 技術(shù)開發(fā)成功，并取得廣泛應(yīng)用的微型傳感器之一。微加速度傳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(xiàn)在又出現(xiàn)了微機械熱對流式加速度傳感器。

圖1 和圖2 分別給出了新型加速度傳感器作用原理和結(jié)構(gòu)示意圖。在懸臂梁的端部有一擴散加熱電阻，加熱電阻通電后所產(chǎn)生的熱量全部沿梁和上下兩個散熱板傳遞。向上下兩個散熱板傳導(dǎo)熱量的速率取決于加熱電阻與散熱板間的距離，沿懸臂梁的溫度分布曲線由懸臂梁與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 型硅/ 鋁熱電偶對懸臂梁溫度的測量來測定懸臂梁與兩個散熱板的相對位置，從而實現(xiàn)對加速度的測量。

這種傳感器的熱電偶具有很高的靈敏度，能夠直接輸出電壓信號，可以省去復(fù)雜的信號處理電路，并且對電磁干擾不敏感。在懸臂梁與散熱板的間距為140μm 和200μm、梁長為100μm、梁寬為4μm、梁厚為10μm 時，傳感器的靈敏度為1 mV/ g ，測量范圍為25g ，分辨率為0.003 g. 由于結(jié)構(gòu)中沒有大的質(zhì)量塊，微機械熱對流式加速度傳感器具有很強的抗沖擊能力，但其頻率響應(yīng)范圍很窄 。

微機械角速度傳感器

對于旋轉(zhuǎn)角速度和旋轉(zhuǎn)角度的檢測，需要采用陀螺儀?；贛EMS 技術(shù)的微機械陀螺因其成本低，能批量生產(chǎn)，可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、醫(yī)用設(shè)備、軍事設(shè)備等方面。微機械陀螺有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)等，其工作原理基于哥氏效應(yīng)。

諧振式微機械陀螺的結(jié)構(gòu)如圖3 所示：它由固定在基底上的靜止驅(qū)動器、質(zhì)量塊（包括內(nèi)部動齒框架及外部框架） 和2個雙端音叉諧振器（DETF） 組成。質(zhì)量塊通過4 個支承梁固定在基底上。當(dāng)在靜止驅(qū)動器上加上驅(qū)動電壓（角頻率為ωp）時，質(zhì)量塊的內(nèi)部動齒框架作沿著y 軸方向的振蕩運動。如果一個外部的繞z 軸的轉(zhuǎn)動（輸入信號Ω） 作用到芯片上，質(zhì)量塊產(chǎn)生沿x 軸方向的哥氏力，且通過內(nèi)支承梁轉(zhuǎn)移到外框架上， 外框架由兩對支承梁固定并可沿x 軸方向運動，通過兩對杠桿這個力被放大并傳遞到外框架兩邊的兩個雙端音叉諧振器（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。

微機械陀螺的平面外輪廓的結(jié)構(gòu)參數(shù)為1mm2 ，厚度僅為2μm. 而文獻給出的振動輪式硅微機械陀螺的直徑為1 mm ，厚度為19μm ，寬度為5μm ，電極間距為7μm.

微型氣敏傳感器

微型氣敏傳感器可分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。前者是以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。氣敏傳感器的敏感性能與工作溫度有很大關(guān)系，要求傳感器系統(tǒng)本身具備加熱元件和溫度探測元件。而基于MEMS 技術(shù)的微型氣體傳感器具有高度集成化的特點，易于將氣敏元件和溫度探測元件集成一體，保證了氣敏傳感器性能。

圖4 是一種體積僅為1 cm2 的二氧化碳?xì)怏w傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。該氣體傳感器的工作機理是基于非散射的紅外雙光束、雙波長的測量原理 。它的結(jié)構(gòu)包括一個常規(guī)的小型紅外光源、一個氣室和一個紅外探測單元。紅外探測單元由兩個單晶硅微型熱輻射儀、一個寬帶濾波器和一個微型可變紅外濾光片構(gòu)成，參考信號源可以補償由于光源污染產(chǎn)生的測量信號衰減帶來的影響。在二氧化碳體積分?jǐn)?shù)2000 &TImes;10 - 6的樣氣中，該傳感器具有20 &TImes;10 - 6的分辨力（1σ） ，時間常數(shù)為3 s.