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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,八章 微传感器,1,微传感器的概念,微传感器的分类,基本敏感原理介绍,微传感器的实例,微传感器的应用,本章主要内容,2,微传感器的概念,微传感器：基于,MEMS,工艺的,，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。,MEMS,微传感器原理框图,3,微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。,微传感器的概念,4,微传感器的概念,微传感器的,技术指标,：,量程：,测量范围上限值和下限值的代数差。,灵敏度：,传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值,线性度：,传感器输出与输入之间的线性程度。,分辨率：,指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最,小变化量。,零轴稳定性,重复性：,传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试,时所得特性曲线不一致程度。,频响范围：,在规定误差条件下，传感器可以正常工作,的频率区间。,5,微传感器的概念,对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 。非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出-输入特性为直线。,灵敏度,6,线性度,传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出,输入特性是线性的，它具有以下优点：,（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；,（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出,输入特性上的两点就可以确定其余各点。,微传感器的概念,7,（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；,（4）避免了非线性补偿环节。,实际上许多传感器的输出,输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般用多项式表示输出,输入特性。,8,附例：,一个微加速度传感器的指标,灵敏度：100mV/g 量程：50,g,频率范围：0.5-8000Hz（10%),安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g,抗冲击：2000,g,重量：8m,g,安装螺纹：M5 mm 线性：1%,横向灵敏度：5% 典型值：3%,输出阻抗：150,激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC,温度范围：-40+120,壳绝缘电阻：,安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹),几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm,9,按传感机理分,压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流,按物理参数分,力,（加速度,/,压力,/,声）,热,（热电偶,/,热阻）,光,（光电类）,电磁,（磁强计）,化学和生物医学,（血糖,/,电容化学,/,化学机械）,微传感器的分类,10,(1)压阻敏感原理,当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为,压阻效应,。,在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化,微传感器的敏感原理,11,电阻的基本关系式,电阻率的变化率,电阻的变化率,其中，,为压阻系数,压阻变化的具体过程,12,1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此 起主要作用；,2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此 起主要作用；,3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。,13,在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为,其中,14,主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数,P,型压敏电阻的变化率为,N,型压敏电阻的变化率为,15,压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥,惠斯顿电桥连接图,S+,S2- S1-,O-,O+,输出电压,16,17,电容式微传感器的基本结构,(2)电容敏感原理,利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。,18,间隙变化型：改变两极板间隙,面积变化型：改变形成电容的有效面积A,介质变化型：改变两极间介质的介电常数,平行板电容器的电容为,19,间隙变化型电容式微传感器,利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得,20,略除高阶无穷小项，得,这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为,21,采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：,22,(3)隧道电流敏感原理,在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。,隧道电流,质量块,隧道探针,输入,感应,力方,向,膜,隧道电流式微传感器的基本结构,23,为直流驱动电压，单位为V； 为隧道电流，单,位为A； 为常数，等于 ； 为有效隧,道势垒高度，单位为eV； 为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5 eV，1nm)，隧道电极间距 变化0.1nm时，隧道电流 改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。,24,隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。,隧道电流随距离d的变化曲线,25,(4)压电敏感原理,压电效应:,某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。,逆压电效应：,在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。,26,27,压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示,电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系,得出两金属板间的电压差,28,(5)谐振式敏感原理,当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是,/,n,1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。,29,Howe1987发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论,30,y,(x,t),满足,其中,是梁单位长度的质量,31,32,(6)热对流式敏感原理,向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。,被测流体的质流量 与加热件上下游端的温度差,T,之间的关系为：,P:,加热功率，J：热功当量,cp：被测流体的定压比热,33,传感器,类型,测量,范围,精度,频响,线性,度,信号处理电路,结构,工艺,技术成,熟性,压阻式,大,中,高,较好,简单电桥电路,简单,好,电容式,小,高,中,较好,高灵敏度的开关,电容或电桥电路,复杂,差,谐振式,小,高,中,较好,宽频带闭环,谐振回路,复杂,差,压电式,大,低,高,较好,电荷放大器,简单,好,隧道式,小,高,高,较差,高灵敏度电流,检测电路,复杂,差,热对流,式,大,中,低,一般,热敏电阻电桥,简单,差,各种敏感原理特点比较,34,各种敏感原理的优缺点,35,微传感器的实例(1),力学,微加速度传感器,微陀螺仪,微压力传感器,微麦克风,36,微加速度传感器,主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击,压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。,37,压阻式,挠度,应力,一阶固有频率,阻尼比,38,压敏电阻,空隙,玻璃盖板,质量块,导电胶,引线,微加速度计的剖面结构示意图,39,单悬臂梁微加速度计,双悬臂梁微加速度计,压阻式微加速度计样品,SEM,照片,40,电容式,悬浮支架,加速度,固定支架,导电电极,衬底,质量块,),垂直敏感电容微加速度计结构,固定支点,加速度,悬浮支架,质量块,感应叉指,b),水平敏感电容微加速度计结构,电容式加速度计的不同敏感电容,41,1) 平行板电容式微加速度计,“三明治”结构电容式微加速度计结构,硅,玻璃,玻璃,硅,硅,平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。,42,2) 梳状电容式微加速度计,挠性梁,定齿,基底,位移,定齿,立柱,敏感质量,C,1,C,2,43,梳状结构,的电容式微加速度计一般采用,叉指结构,，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。,44,隧道电流式,隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种结构,悬臂梁,隧道针尖,悬臂梁式隧道效应微加速度计,45,检测质量电极,扭转铰链,检测质量,可变电极,挤压膜阻尼孔,氮化层悬臂梁,隧道针尖,Stanford,大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计,46,压电式微加速度计,压电式微加速度计具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有着广泛的应用。,敏感轴方向,压电晶体,壳体,敏感质量,压电式微加速度计原理示意图,m,47,输出,源极,传感电容,比较电容,悬臂梁,氧化锌,FET,放大器,Vdd,压电式微加速度计的结构,焊盘,根切,P,阱电阻,48,微陀螺仪,利用振动质量块被基座,(,仪表壳体,),带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。,线驱动式微陀螺仪,角驱动式微陀螺仪,49,线振动(音叉式)微陀螺仪,50,角振动式微陀螺仪,51,微压力传感器,压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器,具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点,常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感器,52,压阻式,硅薄膜,焊盘,P,型扩散压阻,金属导体,N,型外延层,P,型衬底,玻璃衬底,腐蚀腔,压阻式微压力传感器结构,53,氮化硅,多晶硅,环境应力,径向应力,压敏电阻,参考压力,外加压力,压阻式绝对压力传感器,54,电容式,这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成,东京大学接触电容式压力传感器结构,薄膜,硅,硅薄膜上键合点,上键合点,衬底上,键合点,绝缘层,电极,玻璃衬底,55,接触电容式压力传感器,56,谐振式,在梁和偏转电极之间施加很小的微伏级的电压信号就可使梁共振，由梁上的压敏电阻提供反馈。施加在下层晶片薄膜上的压力增加了共振梁的张力，就象调紧吉他弦一样，这就增加了它的共振频率。,57,微型麦克风,微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。,瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风，,利用体硅工艺制作，重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极。,58,清华微电子所研制的微型克风，表面工艺与体硅工艺结合制作，在单片硅片上实现了主要结构，采用纹膜结构提高灵敏度。,59,
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