其他微机电传感器

1.微气体传感器

微气体传感器属于化学传感器的一个分支。气体传感器可以检测NH3、CO、NO、NO2、Cl2、H2S、SO2、H2、O2、CO2等气体，在家庭安全、工业生产、矿井作业、医学诊断、军事国防和特种运输领域中的应用十分广泛。MEMS微气体传感器具有体积小、功耗低、易阵列化、集成化、智能化的特点，是气体传感器技术发展的一个重要方向。

按照工作原理，MEMS微气体传感器可以分为以下两种。

1）气敏膜电阻变化型气体传感器

这种传感器是利用一些金属氧化物半导体材料或掺杂有机高分子聚合物材料，在一定温度下，其电阻率或体积等参数随环境气体成分变化而变化的原理制造而成。可用于检测H2、CO、NH3、NO2、CH4等气体。常用的金属氧化物有Zn O、Sn O2和Ti O2等。由于气敏材料必须在某特定温度 （320℃～460℃）下其敏感程度才高，所以这种传感器都必须内置加热器。一个典型的气敏膜微气体传感器如图6－33所示。传感器由加热及测温电极、硅衬底、梳齿电极和气敏薄膜等组成。硅衬底上使用干法刻蚀或者湿法刻蚀从背面制作气腔作为隔热结构，减缓热量损失。加热及测温电极包覆在二氧化硅绝缘膜中，防止其与梳齿电极短路。在梳齿电极上施加恒定电压，气体浓度的变化就会导致气敏薄膜电阻的变化，再转化为两个梳齿对电极上电流的变化，从而将气体浓度的变化转化为电信号检测出来。

图6－33 气敏膜式微气体传感器结构原理

2）微结构谐振频率变化型气体传感器

这种微气体传感器属于质量型气体传感器，其基本结构式是微悬臂梁。悬臂梁的谐振频率和悬臂梁的质量有关。如果在微悬臂梁的表面涂覆Zn O、Sn O2、Ti O2掺杂聚酰亚胺和聚异丁烯等敏感材料时，敏感材料可以实现对一类或特定气体的吸附，吸附量同环境气体体积分数变化成线性关系。当环境气体浓度变化时，悬臂梁的吸附量变化而导致质量变化，从而引起谐振频率的变化，通过特定的电路就可以将这种频率变化读取出来。

2.微流量传感器

微流量传感器是利用MEMS技术制作的把液体或气体的流量、流速和流向转换为电信号输出的器件。微流量传感器按作用原理主要可分为两大类：机械式和热式。

1）机械式微流量传感器

机械式微流量传感器是利用流体流动时产生的黏滞力或流道进出口之间的压力差，带动机械结构运动或变形，通过压阻效应或电容变化等感知流体的流动速度。它由一个悬臂梁和集成在梁上的压敏电阻或电容测量感应件组成。如图6－34所示是一个基于黏滞力的机械式微流量计。该流量计采用体硅湿法腐蚀工艺制备，悬臂梁材料为氮化硅，压敏电阻材料为铂。由于在受力变形时其根部的应力最大，所以压敏电阻一般布置在梁的根部。平行于流动方向的黏滞力FD为：

FD＝Cavη（6－25）

式中 C——与障碍物形状有关的常数；

a——悬臂梁末端障碍物的尺寸，m；

v——流体速度，m／s；

η——流体的绝对黏度，Pa·s。

当悬臂梁在黏滞力的作用下发生弯曲变形时，其曲率半径ρ采用下式求解：

则在悬臂梁根部上表面的应力为：

式中 L——悬臂梁长度，m；

W——悬臂梁宽度，m；

T——悬臂梁厚度，m。

压敏电阻的阻值变化率为：

式中 K——硅材料的应变敏感度。

图6－34 基于黏滞力的机械式微流量计

（a）原理图；（b）结构图

机械式微流量计可以将流速的变化转化为电阻的变化，从而检测出来。其优点是普遍适用于气体和液体，可采用现有的微压力传感器和微加速度计读出电路。缺点是需要可动结构，在流体中容易发生堵塞或损坏。

2）热式微流量传感器

流体流动时会把热源的热量带走，或把热量从上游带到下游。热式微流量传感器便是利用加热元件和测温元件，通过测量带走或带来的热量情况，得到流体流动的速度和方向。其测量原理如图6－35所示。

图6－35 热式微流量传感器原理

该传感器主要由一个加热元件和两个测温元件组成。当向加热元件施加一定热功率时，加热元件周围就能够形成随流体流场变化的温度场，则分别位于上下游的测温元件之间就会产生温差，通过检测这个温差就可以换算出流体的流速。热式微流量传感器的优点是尺寸小、响应快、灵敏度高，缺点是功耗较大。

3.微红外探测器

任何温度高于绝对零度的物体都会发射红外辐射。红外光是一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光的最大特点就是具有光热效应，它是光谱中最大的光热效应区。热敏型探测器是利用辐射热的热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。引入MEMS技术的红外探测器主要是热敏型探测器，根据热敏原理不同，又可以划分为多种形式。

1）隧道式红外探测器

隧道式红外探测器是在电子隧道效应原理基础上研制成功的。当两个电极非常接近时，在外加电场作用下形成隧道。隧道电流与电极间的距离成负指数关系。当电极间距离发生变化时，隧道电流会随之变化。通过对隧道电流进行检测或对隧道间隙进行反馈控制，可以在很高的灵敏度下实现位移检测。隧道式红外探测器的原理结构如图6－36所示。其结构由两片硅片组成，上方的硅片用微加工方法加工出密闭微腔，内封有常压下的空气。微腔的下部是加工了凹槽的另一硅片，凹槽底部有微小的硅尖。微腔内的气体在红外辐射下被加热，气体体积膨胀，引起微腔底部薄膜形变。可由隧道效应检测该形变，以实现红外辐射的测量。其中形变电极的作用是使柔性薄膜发生预形变，使隧道电极的距离减小，直至进入工作状态。该种红外探测器非常灵敏，动态性能良好，频率范围宽。

2）悬臂梁式红外探测器

图6－37所示是悬臂梁式红外探测器的结构原理。每一个探测元件是由两种热膨胀系数差别很大的材料构成的微悬臂梁。当探测元件受到红外辐射照射时，入射的红外能量转化为悬臂梁的温升，从而引起梁的变形。温升不同，微悬臂梁的变形也不同。微悬臂梁变形后引起的反射角度变化可由光学系统检测出来。

图6－36 隧道式红外探测器

图6－37 悬臂梁式红外探测器