MEMS技术(2-微系统的工作原理1-传感器1)

1微系统的工作原理（一）王文廉2本章主要内容微传感器微执行器3主要内容传感器和微传感器的重要性。微型传感器的定义和性能参数。微型传感器的分类。微型传感器的工作原理学习。4人类已进入了信息社会时代，信息技术的三大基础是信息的获取、传输和处理，也就是传感技术、通信技术和计算机技术。分别构成了信息技术系统的感官、神经和大脑。“征服了传感器，就几乎等于征服了科学技术”5主要内容传感器和微传感器的重要性。微型传感器的定义和性能参数。微型传感器的分类。微型传感器的工作原理学习。6微型传感器传感器：把被测量转换为电信号输出的器件。微型传感器有：压力、加速度、角速度、力、触觉、流量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度等等。7传感器的性能参数环境条件、全量程输出、滞变、线性、被测量范围、偏置、工作寿命、输出格式、过载性能、重复性、分辨率、选择性、灵敏度、响应速度、稳定性1、允许的环境条件，包括温度、加速度、振动、冲击、环境压力、湿度、腐蚀、电磁场等；82、全量程输出（FSO:FullScaleOutput）,表示输出两端间的代数差，而覆盖被测量范围的传感器输出的上限称为全量程（FullScale）93、滞变当被测量起初递减时，输出组成滞回线，以一个回线的FSO的百分数表示滞变。104、线性表示校准曲线与指定直线之间的接近度，常以FSO的百分数表示。5、被测量范围传感器可测量的被测量上下限。6、偏置室温下（除非另有说明），当被测量为零时的传感器输出。7工作寿命在误差范围内不改变性质的传感器正常工作时间。118、输出格式：模拟输出（包括频率或频率－模拟输出）、数字输出9、过载性能：施加于传感器而不引起性能改变的最大被测量的值；1210、重复性：室温条件下（除非另有说明），当相当数量的被测量以相同条件和相同方向施加于传感器时，传感器输出读数的能力；用多次测量得到的最大差值与满量程的比的百分数来表示。1311、分辨率：可产生输出又可测出的最小被测量的值，当被测值由零开始增加时，称阈值；12、选择性：当存在其他被测量时，对某一指定被测量的选择能力；13、灵敏度：传感器输出改变与被测量值改变之比，它是校准曲线的斜率；也叫做标度因数；1414、响应速度：当被测量改变一个台阶时，输出到达稳定值的63％时所需的时间；15、稳定性：对某一时间周期，传感器能保持性能特性的能力。除非另有说明，它表示对某一时间周期，传感器在恒温条件下重新产生原始校准时的输出读数能力。15主要内容传感器和微传感器的重要性。微型传感器的定义和性能参数。微型传感器的分类。微型传感器的工作原理学习。16按被测物理量分类：微型传感器有，压力、加速度、角速度、力、触觉、流量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度等等。微型传感器分类17按被测量的性质分类：声学、生物学、化学、电学、磁学、机械、光学、力学、辐射及热学等传感器；18按被测量的原理分类：压阻式、压电式、电容式、谐振式、隧道式、等传感器；19主要内容传感器和微传感器的重要性。微型传感器的定义和性能参数。微型传感器的分类。微型传感器的工作原理学习。201.微型压力传感器定义：利用MEMS技术制作的，把压力信号转换为电信号输出的器件。微型压力传感器有利用各种工作原理的，如：压阻、电容、压电、真空微电子、隧道效应和光纤等。一、力学传感器211.1压阻式微型压力传感器压阻式压力传感器的基本原理是：将作用在薄膜的被测压力，通过薄膜的应力变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路测出被测量值。压阻式微型压力传感器利用半导体材料的压阻效应，即材料受到应力作用时，其电阻或电阻率会发生变化。22压阻式微型压力传感器基本结构硅压敏电阻玻璃23压阻式传感器基本公式RRLLLL()/12其中：R——电阻值R——电阻值的变化L——电阻长度L——电阻长度的变化ρ——电阻率ρ——电阻率的变化ν——泊松比1）几何形状变化引起的电阻变化。2）压阻效应引起的电阻变化。R2)R1)24压敏电阻的分布形式在硅膜的一定晶向、位置上扩散上四个压敏电阻，将它们连接成电桥，就构成最基本的压阻式压力传感器。25压阻式微型压力传感器的例子（1）ICSensor公司的压阻式压力传感器26压阻式微型压力传感器的例子（2）密西根大学研制的微硅压力传感器27压阻式微型压力传感器的特点优点：制作工艺简单，检测电路简单，得到最广泛的应用。缺点：温度漂移大。281.2电容式微型压力传感器电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种传感器，一般将敏感元件做成可变电容器的形式。可变电容器有变极距型、变面积型和变介电常数型三种基本方式。微型压力传感器一般采用变极距型。29电容式微型压力传感器基本结构硅玻璃电极微硅薄膜在压力作用下产生变形，使硅膜电极向固定电极移动，两电极间的电容产生变化。30电容式传感器基本公式两电极间的初始电容为：受压时的电容变化与电极的位移有以下关系：其中：C0——初始电容值d——初始极板间距CSd0CCCddd0031忽略高次项得：这种传感器的灵敏度和非线性误差分别为：其中：——极板间介质的介电常数S——极板面积CCdddddddd0231CCdd0KCdSd2电容变化的检测可利用电容频率变换法或电容电压变换法等常规的电容式传感器的检测方法进行。dd100%当d《d时32电容式微型压力传感器的例子日本东北大学研制的电容式微硅压力传感器33电容式微型压力传感器的特点优点：稳定性好、灵敏度高、适用温度范围广。缺点：对电路要求较高，一般需至少把前至放大电路与敏感元件集成于一体。341.3真空微电子微型压力传感器真空微电子压力传感器利用场发射原理；利用场发射电流对电极间距离十分敏感的特性，实现高灵敏度的传感。35真空微电子微型压力传感器原理结构•主要组成：压力敏感膜作为阳极、场发射尖锥阵列作为阴极和真空微腔。•工作原理：电极间加电压，在阴极表面形成加速电场，导致阴极发射电流，当敏感膜受压变形时，电极间距变化，使阴极表面场强产生变化，发射电流随之变化。硅硅绝缘层36真空微电子微型压力传感器的特点优点：灵敏度高、尺寸小。缺点：所需工作电压较高。371.4集成微型压力传感器集成传感器是指信号处理电路和敏感元件集成于一体的传感器。日本丰田公司研制的集成压阻式压力传感器阵列。•单个传感器尺寸：100m×100m•阵列数：32×32•整体芯片的尺寸，包括周边的电路部分：10mm×10mm38硅谐振梁压力传感器应用于飞机、卫星、火箭发动控制系统、核潜艇、大气、宇宙数据检测系统特点：电热激励、压阻拾振，结构简单MEMS技术中国科学院电子学研究所·传感技术国家重点实验室39微型压力传感器的应用汽车：轮胎，供油系统，发动机工业过程：化工、食品、制药、微电子能源：油/气田、输油/气管系统、煤气系统医疗：一次性血压计、内窥镜导管系统航空航天：飞机安全系统、载人舱、火箭发动机其它：高度计、真空计等402、传声器（麦克风）声传感器是一种将声能转换成电能的传感器，实际上是一种压力可泄漏的传感器，这是因为不希望该种传感器感受到直流压力的变化，从而避免了大气压力变化造成的薄膜过载。同时，这类传感器需要有尽可能高的灵敏度。通常，声传感器在通信设备、消费电子产品等方面到处可见，微机械声传感器在对体积和价格敏感的应用领域具有吸引力，例如助听器和监听设备等，在这些领域进行价格竞争不存在什么困难。41微型麦克风也可以认为是一种微型压力传感器，但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型麦克风。电容的固定极板上开有小孔，固定极板后面有一空气腔，使上电极膜发生变形时电极间的气压保持不变，以提高其灵敏度和线性度。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。42清华微电子所研制的微型麦克风，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。微型麦克风43声传感器通常由振动膜组成，振动膜在声波压力的冲击下会发生振动。振动膜后面的部分确定它的幅度响应，它必须包含一个压力平衡孔以防止声传感器产生静态响应。后平板、声孔和后室的作用是调节声传感器的响应（后室以一种类似扬声器的方式提供声容抗）。4445压阻式声传感器压阻式声传感器利用薄膜上的四个压敏电阻组成惠斯登电桥。压阻式声传感器的灵敏度通常在25V/Pa以内，频响在100Hz到5kHz的范围内。尽管灵敏度相对较低，但压阻式传感器的输出阻抗也相对较低。46473、触觉传感器触觉式传感器是要提供一个感应机器人终端操纵器（比如抓手）与物体之间接触情况的反馈“器官”。这种反馈在精密装配这类作业中非常有用。理想状态下，这类传感器能执行皮肤的感知功能，即提供有关接触、压力、剪力速度、三维外形、滑动和热特性等信息。为了具有与人类皮肤可比拟的感觉能力，传感器必须能分辨小于1mm的形状特征。48触觉传感器可认为是一种压力传感器，只是其敏感元件直接与固体接触，一般利用阵列敏感元件。荷兰Delft大学研制的三维电容式触觉传感器，其在硅岛和玻璃之间有四对电极，形成四个电容，用于检测一个垂直和两个剪切方向的触力。49压电式触觉传感器聚偏氟乙烯(PVDF)通常用于这些传感器，它必须用于电极预处理或“极化”以使之具有压电性，不过一旦制备好以后，它就有较宽的动态范围，很好的线性度和极好的机械特性（包括抗疲劳性、弹性等）。与所有的压电器件一样，这些触觉传感器没有直流响应。因此，他们常用来检测差分激励。缺乏DC响应可能使这类触觉传感器不能应用于许多机器人领域。50压阻式触觉传感器电阻式触觉传感器有直流响应，这对于剪切和弯曲应力传感器、压力传感器等是非常有用的。常见的配置是将单个的压敏电阻连入惠斯登电桥，但这不一定能够提供足够的温度补偿，这与电桥元件与传感元件的相对位置有关。513232个元件的压阻式敏感法向压力的触觉传感器。有1到2mVcm2/Kg（10到20V/kPa)的灵敏度。52电容式触觉传感器就象其它的机械传感方式一样，电容传感的方法可以很容易的用于触觉传感器。在这类器件中，电极板相互间的变形，介电质在极板间的移动可以改变电容的大小。通过测量传感器上固定极板与测量对象之间的电容也可获得待测量。5354其他触觉传感器光学触觉传感器基于电场的测量器件根据隧道电流变化与施加压力函数关系来测量的器件以及通过所加的压力来调制入射磁场的磁弹性感应器件555、微型生化学传感器利用敏感材料吸收特定化学或生物物质时，其特性如：重量、熱、电阻率等发生变化，通过测量这种变化，获取特定化学或生物物质的有无、浓度。化学传感器一般测量气体介质，生物传感器一般测量液体介质。微型生化学传感器有：电阻式、测重式和测热式等。565.1测重式微型生化学传感器覆盖于悬臂梁上的化学敏感膜吸收化学物质后，其重量将发生变化，从而导致悬臂梁的谐振频率的变化，通过测量谐振频率的变化，就能检测化学物质的浓度。悬臂梁的激振方式有：熱驱动、静电驱动、压电驱动等。振动的测量方式有：压阻式、压电式、电容式等。梁越薄越小，Q值越高，灵敏度越高。57测重式微型生化学传感器例电熱驱动，压阻检测。先利用CMOS工艺制作出电路、加热和检测电阻元件，再从正面通过异向腐蚀腐蚀出悬臂梁。纳米级微梁的生物传感器PhysicalElectronicsLaboratory,ETHZurich悬臂585.2测热式微型化学传感器当化学敏感聚合物膜在吸收或释放化学物质时，其热焓(含热的能量大小)会发生变化，从而导致其温度变化，通过热敏元件测量其温度变化，就能检测化学物质的浓度。把敏感结构制作成熱绝缘，使熱函变化产生能检测的温度变化；利用大阵列串