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1、智能传感器的设计制造趋势 传感器Sensors智能传感器的设计制造趋势清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室王雪左巍赵国华摘要本文介绍了智能传感器近年来的发展情况及其发展趋势。简要概述了与智能传感器设计制造及应用的相关技术。关键词:智能传感器集成微处理器近年来，随着计算机、微电子技术的迅速发展和广泛应用，特别是在传感技术中的应用，促使传感技术产生了一个飞跃。智能传感器的出现，就是计算机、微电子等新技术与传感技术相结合的结果。结构与系统智能传感器(Smart Sensor)是一种带微处理机兼有检测、判断、信息处理、信息记忆、逻辑思维等功能的传感器。它主要由传感器、微处理器(或微计算机)及相关电
2、路组成，其结构框图如图1。智能传感器的结构可分为集成式、混合式和模块式。集成智能传感器是将一个或多个敏感器件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度高，体积小，但目前的技术水平还很难实现;将传感器和微处理器、信号处理电路做在不同芯片上，则构成混合式智能传感器，目前这类结构较多;初级的智能传感器也可以由许多互相独立的模块组成，如将微计算机、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳结构内则组成模块式智能传感器。这种传感器集成度不高，体积较大，但在目前的技术水平上，仍不失为一种实用的结构形式。智能传感器与传统的传感器相比具有以下特点:1.具有逻辑思维与判断、信息处理功
3、能，可对检测数值进行分析、修正和误差补偿，提高了测量精度2.具有自诊断、自校准功能，提高了可靠性3.组态功能可实现多传感器、多参数复合测量，扩大了检测与使用范围4.存储功能使检测数据随时存取5.数据通讯功能有数据通讯接口，能与计算机直接联机，相互交换信息6.自适应性软件在智能传感器中起着举足轻重的作用。智能传感器通过各种软件对测量过程进行管理和调节，使之工作在最佳状态，并对传感器数据进行各种处理，从而增强了传感器的功能，提高了性能指标。利用软件能够实现硬件难以实现的功能，以软件代替部分硬件，降低了传感器的制造难度。常用软件设计方法主要是基于模块式智能传感器，这种结构由基本传感器和基于单片机的信
4、号处理模块组成(2)简化硬件电路，尽量利用软件实现智能传感器的功能。(3)设计低功耗电路，采用低功耗器件模拟放大电路可采用低功耗运算放大器，数字电路可采用CMOS器件，显 示可采用液晶显示器。(4)单电源、低电压供电可提高电源使用效率，降低功耗。功能特点及其软件低功耗设计低功耗智能传感器具有小巧轻便、结构简单、价格便宜和功耗低等特点。其设计应遵循以下原则:(1)选择性能、价格符合设计要求的低功耗、微功耗敏感元件。.1设计与制造智能传感器是传感技术发展的方向，为了提高性能，减少体积，希望所有元件集成在一个芯片上，制成集成传感器。目前实际应用的产品大多是模块化、积木式结构。近年来由于多芯片组件(M
5、CM-Multi-Chip-modules)技术的发展，可将智能传感器分布在几个芯片上的部件组装起来。利用微机械加工制造传感器是近年发展起来的重要技术。其中硅微机械加工是硅集成电路工艺的一项重要扩展技术。它除了包括高度发展的硅集成电路工艺外，还具有一些独特工艺，可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结构，如膜片、横梁、探针凹槽、孔隙等(这些微结构可作为敏感元件)。硅微加工技术主要包括:(1)刻蚀技术刻蚀技术是微加工技术的特殊工艺，通过腐蚀加工形成各种微结构，这是形成微型传感器的关键技术。(2)体形结构腐蚀加工腐蚀加工有化学腐蚀和离子刻蚀技术两大类。单晶硅常用化学腐蚀的方法。腐
6、蚀剂有各向同性腐蚀剂和各向异性腐蚀剂。通过改变腐蚀剂中氧化剂、去除剂和稀释剂的成份，可以调整腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件。各向异性腐蚀剂的腐蚀速率与晶面有关，沿主晶面(100)腐蚀速率最快，(111)面的辉淞帅鲜庄68 'f ' 4 vo，界2000 *' 2 R传感器Sensors速率最慢。利用各向异性腐蚀的方法可以形成三维结构。为了精确控制腐蚀后硅膜、硅梁的厚度，采用P-N结自停止腐蚀技术。硅片中不应腐蚀的区域，用氧化层覆盖保持。离子刻蚀是在真空腔内进行。采用等离子定向刻蚀，将硅片放在交流电源驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体的化学反应等离子体中进行。这是加工硅
7、、二氧化硅和多晶硅等运用的方法。(3)表面腐蚀加工技术这种技术也称为牺牲层技术，利用所谓“栖牲层”的分离层制造各种悬式结构，如微型悬臂梁、悬臂块、微型桥、微型腔等。这种方法首先通过积淀法，如溅射、化学气相、直接蒸发等，在硅片表面生成微米级的Si02牺牲层，然后根据要求的形状刻蚀掉一部分Si02在通过积淀法在所剩的SiO2层上生成Si层(即悬式结构材料)。该层同时积淀在Si基片上Si02己被刻蚀掉的区域上，再用刻 蚀法刻蚀积淀的Si层。最后溶解Si02牺牲层，即获得与Si基片略为连接或完全分离的悬臂梁式结构。这些结构已成功地应用在微型谐振式传感器、加速度传感器、流量传感器和压电式传感器中。(4)
8、薄膜技术在微型传感器中利用真空镀、溅射成膜、化学气相淀积(CVD)、等离子化学气相淀积等工艺形成各种薄膜，如多晶硅膜、氮化硅膜、二氧化硅膜、金属(合金)膜。它们可以加工成各种梁、桥、弹性膜、压电膜。这些薄膜可作为传感器的敏感元件，有的可以作为介质膜起绝缘层作用，有的可作为控制尺寸的衬垫层，在加工完成之前去掉。(5)固项键合工艺固项键合工艺是微机械部件的装配技术，可以把两个固态部件直接键合在一起，可以实现硅一玻璃、金属一玻璃、硅一玻璃一硅、硅一硅键合。在微结构硅传感器的制造中，采用硅一硅直接键合(SDB)技术比采用静电键合技术优越。它可以获得Si-Si键合界面，实现硅的一体化结构，键合强度高，封
9、装气密性好，有利于提高传感器的长期稳定性和温度稳定性。除了上述硅微机械加工技术外，近年来X射线深层光刻和电铸成型技术(LIGA)得到了很大发展，把X射线深层光刻和电铸成型技术结合起来，可以加工出硅、金属、陶瓷、塑料材料的三维结构，可以制造各种类型的微型传感器，而且能实现重复精度很高的大批量生产。但这种工艺方法和集成电路工艺不兼容。智能传感器的发展目前，世界各国都在研制与开发各种智能传感器和多功能传感器。其中最成功的是美国Honeywell公司研制的DSTJ-3000智能压差压力传感器。它在同一块半导体基片上用离子注入法配置扩散了压差、静压和温度三个敏感元件。整个传感器还包括变换器、多路转换器、
10、脉冲调制、微处理器和数字量输出接口等，并在OPROM中装有该传感器的特性数据，以实现非线性补偿o ParScientific公司研制了1000系列数字式石英智能传感器。日本日立研究所研制了可以识别四种气体的嗅觉传感器。智能传感器是测量、半导体、计算机、信息处理、微电子学、材料科学互相结合的综合密集型技术。目前各国科学家正在努力进行开发和研究。(1)利用新型材料研制基本传感器。基本传感器是智能传感器的基础，它的制作及其性能对整个传感器影响甚大。除硅材料具有优良的物理特性，能够方便地制成各种传感器外，功能陶瓷、石英、记忆合金等都是制作传感器的优质材料。(2)利用新的加工技术。近年来微加工技术日趋成
11、熟，可以加工高性能的微 结构传感器。ASIC制成技术也可用于制造智能传感器。(3)采用新的测量原理和方法。谐振式传感器输出数字量，可以直接和微机及接口总线连接，不用A/D转换器。另外，光纤传感器、化学传感器、生物新型传感器，也为智能传感器提供了新的信息来源智能传感器技术的发展将具有以下特点:(1)集成化:集成化智能传感器是将传统的经典传感器、信号调理电路、带数字总线接口的微处理器组合为一个整体而构成的一个智能传感器系统。这种集成化智能传感器是在现场总线控制系统的发展推动下发展起来的。其中，模糊传感器是近年来发展的一个新方向。它是在经典数值测量的基础上经过模糊推理和知识合成，以模拟人类自然语言符
12、号描述的形式输出测量结果。模糊传感器的智能表现在它可以模拟人类感知的全过程，并根据测量任务的要求进行学习推理。(2)集成微型化:智能传感器系统采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并把它们集成在一块芯片上。国外也称它为专用集成微型传感技术(ASIM) o这种传感器具有微型化、结构一体化、精度高、多功能、阵列式、全数化等特点。(3)混合型:根据需要与可能，将传感器的各个单元分别进行集成化，如将敏感单元、信号调理电路、微处理单元、数字总线接口以不同的组合方式集成在两块或三块芯片上，并封装在一个外壳里。(4)网络化:随着网络时代的到来
13、特别是Internet的迅速发展，信息化已进入崭新的阶段。作为现场信息获取装置的传感器，通过“现场总线”实现智能传感器之间的信息交换，进而通过分布于生产现场的传感器实现Intranet网络化，进行远程信息交换。.*本文得到国家自然科学基金59805009项目的资助参考文献1johan H.Huijsing. Integrated smartsensors. Sensor and Actuators A,1992,30:167-1742.J.H.Huijsing. DeveLopments in In-tegrated smart sensors, Sensor and Ac-tuators A,1994,43:276-2883刘迎春叶湘滨.现代新型传感器原理与应用.国防工业出版社.19984.金篆芷王明时.现代传感技术电子工业出版社.5.黄继昌等.1995传感器工作原理及应用实例.人民邮电出版社.19982000 *2)7 't子走 Jog，界69
智能传感器的设计制造趋势
