1.2　现代传感器技术

1.2.1　现代传感器技术特征

与传统传感器的制作工艺完全不同，20世纪70年代开始发展起来的现代传感器技术既有优良电性能，又有极好的力学性能的硅材料作为基础，采用微米级的微机械加工技术（包括硅的各向异性刻蚀技术、干湿法刻蚀技术、控制腐蚀深度的自停止技术、形成空腔/梁等可动三维结构的牺牲层技术、将分离件整合的键合技术等）代替传统的车削、铣削、铇削、磨削、焊接等宏观加工工艺。国外，把它称为专用集成微型传感技术。由现代传感器技术制作的敏感元件也是微机电系统（Micro-Electronic Mechanical System，MEMS）技术的开端。由现代传感器技术制作的传感器通常称为集成传感器或固态传感器，例如，已作为工业产品的集成传感器有20世纪70年代美国霍尼韦尔公司生产的硅压阻式传感器、20世纪90年代初日本横河电机株式会社生产的硅谐振式传感器、20世纪90年代末美国罗斯蒙特及日本富士公司生产的硅电容式压力（差）传感器，以及美国摩托罗拉公司生产的硅加速度传感器等。

1.2.2　集成/固态传感器的特点

（1）微型化。微型压力传感器已经小到可以放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，还可以装在飞机或发动机叶片用于测量气体的流速和压力。美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统的质量从几千克下降至几克。

（2）结构一体化。压阻式压力（差）传感器是最早实现一体化结构的。传统的制作方法是由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“硅杯”，最后在金属圆膜片上粘贴电阻变换器（应变片）而构成压阻式压力（差）传感器，这一制作过程不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺，不仅使“硅杯”一次性成型，而且电阻变换器与“硅杯”是完全一体化的，进而可在“硅杯”非受力区制作调理电路、微处理器单元甚至微执行器，从而实现不同程度的一体化甚至整个系统的一体化。

（3）精度高。比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标大大改善，时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器有特别重要的意义。

（4）多功能。微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一块硅片上制作不同功能的多个传感器。例如，压阻式压力（差）传感器是采用微机械加工技术最先实现应用的集成传感器，但是它受温度与静压的影响，总精度只能达到0.1%。相关科研人员致力于改善它的温度性能，花费了20余年时间却无重大进展。美国霍尼韦尔公司发展了多功能敏感元件，它在20世纪80年代初期研制成功的ST-3000型智能变送器，就是在一块硅片上制作了能感受压力、压力差及温度3个参量的、具有3种功能（可测静压、压力差、温度）的敏感元件结构的传感器，不仅增加了传感器的功能，而且又通过数据融合技术消除了温度与静压的影响，提高了传感器的稳定性与精度。

（5）阵列式。利用微米技术可以在1cm2的硅芯片上制作含有几千个压力传感器的阵列。例如，日本丰田中央研究所半导体研究室用微机械加工技术制作的集成应变计式面阵触觉传感器，在8mm×8mm的硅片上制作了1024（32×32）个敏感触点（桥），基片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约为16000个。

敏感元件构成阵列后，配合相应的图像处理软件，可以实现图形成像且构成多维图像传感器，还可以通过计算机/微处理器解耦运算、模式识别、神经网络技术的应用，消除传感器的时变误差和交叉灵敏度的不利影响，提高传感器的可靠性、稳定性与分辨能力。

传感器的集成化是传感器的发展方向，又是传感器向微型化、阵列化、多功能化、智能化方向发展的基础。随着微电子技术的飞速发展，大规模集成电路工艺技术日臻完善，MEMS技术、微纳米技术、现代传感器技术协同发展，现在已有不同集成度的电路芯片及传感器系统芯片商品面市。