新型传感器技术

前言 传感器的分类: 物理传感器应用的是物理效应 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象 以其输出信号为标准可将传感器分为: 模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时,传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类: (1)按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 (2)按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 (3)按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料 按照其制造工艺,可以将传感器区分为: 集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的,相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时,同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料,涂覆在陶瓷基片上制成的,基片通常是 Al2O3制成的,然后进行热处理,使厚膜成形。 第1章传感器敏感材料 1半导体硅材料 1.1 单晶硅:固态传感器的材料, 优点: 优良的机械、物理性质,材质纯,内耗低、功耗小。 机械品质因数高达106数量级, 滞后和蠕变极小,机械稳定性好。 各向异性,具有很好的热导性,应变灵敏系数高。 1.2 多晶硅:是许多单晶的聚合物。晶粒的排列是无序的,不同的晶粒有不同的单晶取向,而每一晶粒内部具有单晶的特征。 晶粒与晶粒之间的部位称为晶界,其对压阻效应的影响可通过控制掺杂浓度来降低。晶粒越大,压阻效应越大。 1.3 非晶体硅:在光电器件、传感器中应用。 与晶体材料相比,非晶体硅具有: (1)在可见光范围内具有高的光吸收系数。 (2)淀积温度低(200-300oC),可用多种材料作衬底,感受大面积淀积。 (3)材料性能稳定,具有较高的机械强度。 (4)具有高的塞贝克系数 (5)纯非晶硅没有压阻效应,利用微晶相与非晶相混合可产生压阻效应,灵敏系数高。 (6)非晶硅的弹性模量和多晶硅一样,取决于制备和热处理,一般为(150—170)×103MPa。 可制成多种传感器,如光传感器,成象传感器,高灵敏度温度传感器,微波功率传感器,触觉传感器等。 1.4 硅蓝宝石:是在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。 衬底是绝缘体,可实现元件之间的分离,且寄生电容小。 蠕变极小,优于单晶硅;耐辐射能力强;化学稳定性好,耐腐蚀性强。 具有耐环境性强的优势。 2化合物半导体材料 先进的成象传感器材料。如碲镉汞、锑化铟、砷化镓等。 开发长波段的应用。 无源探测的红外光敏技术,广泛应用。如红外夜视、火控、跟踪定位、精确制导3石英敏感材料 3.1石英晶体晶态sio2 特点:各向异性,具有压电特性;绝缘体;和单晶硅一样,具有优良的机械物理性质。 工作温度为200℃-250℃ 3.2 石英玻璃:非晶态SIO2,物理特性与方向无关。 机械物理性能和化学性能极优。 在700℃-800℃以前,弹性模量随温度的增高而增大,以后随温度的升高而下降。 最高使用温度为1100 ℃。 适宜制造高精度传感器 4精密陶瓷材料 以化学合成的物质为原料,控制其中的组分比,经过精密的成型烧结,可制成适合传感器需要的多种精密陶瓷材料----功能陶瓷材料。 特点:耐热性,耐腐蚀性,多孔性,光电性,压电性等独特的性能。 新开发陶瓷温度、气体、温度、光电、离子、加速度、陀螺等传感器 5 ZnO薄膜 作为压电体、光导体、光波导和半导体的多用途材料; 六角晶结构,各向异性体,有大的压电常数,大的声光、电光和非线性光学系数。淀积ZnO膜技术最广泛的是磁控溅射方法,可获得压电性能、光学性能优良,面平坦而透明的致密薄膜层。 6 铁电聚合物 是指含有铁电晶体组织的特殊高分子聚合物,如聚氯乙烯、聚偏二佛乙烯(PVF2)。 PVF2优良,具有压电、热释电特性。 应用在电-声和机-电传感器,如声频、超声波等。 7 非晶态磁性合金 结构为长程无序,短程有序; 在旋转磁场中的各个方向的相对磁导率较高; 电阻率高,在交变磁场作用下,涡流损耗小,响应快,高频特性好; 磁致伸缩效应大; 机械强度高,高达2000-3500MPa。 根据传感器的具体特性确定这类材料的组分和形状。 8形状记忆合金 新的传感器材料,具有热弹性和超弹性; 过程:把某种记忆合金在高温下定形后,若冷却到低温产生形变,只要温度稍微升高就可以使形变迅速消失,并回到高温下所具有的形状。 代表性材料有:NiTi ,CuZnAl,CuAlNi。 9 复合材料 原子合成法通过控制材料的特性可以合成理想传感器材料; 晶体合成法:多层结构,材料的混合在原子级上进行控制,合成的材料也叫人造晶格或超晶格; 超晶格结构具有全新的材料特性; 超晶格结构可随意控制物理常数,具有很大的发展前景。 硅材料的质量轻,密度为不锈钢的1/3,而弯曲强度为不锈钢得3.5倍,具有高强度比和高密度比; 热导性为不锈钢7倍,而热膨胀系数不到不锈钢的1/7; 第2章微机械加工技术 分为三类:硅微机械加工技术、超精密机械加工技术和X射线深层光刻电铸成型(LIGA)技术。 2.1硅微机械加工技术 硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的扩展技术。主要用于制造以硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维微结构,包括膜片、悬臂梁、探针等微结构与特殊薄膜和高性能的电路相结合,成功制造出固态传感器 1. 刻蚀技术 (1)体型结构腐蚀加工 腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术,分为化学腐蚀(湿法)和离子刻蚀(干法)两种。 (2)表面腐蚀加工---牺牲层技术利用硅表面微机械加工技术,开发、研制出尺寸小的悬式结构 工艺过程: 通过淀积法(溅射、蒸发) 在Si基片表面上生成SiO2牺牲层(微米级) 根据要求的形状刻蚀一部分SiO2 再剩下的SiO2层上通过淀积生成Si层 用刻蚀法刻蚀淀积的Si层 溶解SiO2牺牲层,获得与Si基片略连接或完全分离的悬臂式结构 2. 薄膜技术 多晶硅膜、二氧化硅膜、金属膜等作为微型传感器结构的复合材料。 制作方法:物理气相淀积和化学气相淀积。 物理气相淀积是利用蒸镀和溅射。 化学气相淀积是让气体与衬底材料在加热的表面进行化学反应,使另一种物质在表面上形成膜。 (1)真空蒸镀:用蒸发铝和金的方法来获得电极的欧姆接触区,可直接制造敏感元件的薄膜。 (2)溅射成膜工艺,最流行工艺,设备较复杂,成膜速度慢,但形成的膜牢固,制出高熔点的金属膜和化合物膜,且化学成分不变。溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等,射频溅射应用广泛。 (3)化学气相淀积(CVD):是使含有待淀积物质的化合物升华成气体,与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应,生成固态的淀积物质,使之淀积在基底上而生成薄膜。 (4)等离子化学气相淀积(PECVD):在温度350-400℃利用等离子体的活性。 过程:在反应过程中,为了产生等离子体,可加上直流或射频高电压,反应室通入一定量气体,使之发光放电,反应室内的气体将被电离而等离子化。 3. 固相键合工艺 把两个固态部件直接键合在一起的加工工艺,也就是把微机械部件装配在一起的一种技术。 典型例子就是硅-玻璃或金属-玻璃间的静电键合。 过程:把表面抛光的硅和热膨胀系数相近的玻璃紧密接触,在400℃高温下, 接上硅为正、玻璃为负的直流电压(500-1500伏);在静电力作用下,使硅与玻璃在界面处接近到分子级的距离而形成牢固的、永久性的分子键合 2.2 传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时,用到超精密机械加工技术,如激光精密加工等。 2.3X射线深层光刻电铸成型技术 是深层同步辐射X射线光刻与电铸工艺相结合的制造技术。与牺牲层技术结合可制造出微型悬式结构。 工艺过程如下: 在硅基片上溅射牺牲层 用紫外光通过掩膜照射牺牲层,制作平面图形 在牺牲层上涂一层钛、镍组成的薄膜作为电铸的金属基底 在金属基底上淀积光致抗蚀剂层,覆盖掩膜 利用深层同步辐射X射线光刻技术对光致抗蚀剂层进行曝光 用化学蚀刻法蚀刻光致抗蚀剂层,制成电铸用的初级模板 在金属基底上,以初级模板为模型进行电铸,形成了与模板形状互为凹凸的三维结构 用化学溶剂溶解掉初级模板、金属基底和牺牲层,获得悬式结构 第3章传感器的建模 3.1原因和过程 建立传感器的模型,在原理、结构设计、样机研制中有重要作用。 建模过程:(1)根据本质特征建立传感器的物理模型;(2)建立传感器的数学模型;(3)求解数学模型。 建模的方法:主要有能量法、概率法、状态法等 3.2受轴向力两端固支梁 建模步骤:1)几何方程; 2)物理方程; 3)弹性势能、弹性方程(对体积); 4)动能; 5)梁上的任一点横截面处的初始应力; 6)由初始应力引起的初始弹性势能; 7)建立总的弹性势能; 8)建立泛函; 9)利用泛函原理; 10)求解微分方程。 继续阅读