9.2 MEMS技术与微型传感器-xg

9.2MEMS技术与微型传感器9.2.1MEMS技术9.2.2微型传感器上一页下一页返回9.2.1MEMS技术•MEMS技术是多学科交叉的新兴领域，涉及精密机械、微电子材料科学、微细加工、系统与控制等技术学科和物理、化学、力学、生物学等基础学科。包含微传感器、微执行器及信号处理、控制电路等，利用三维加工技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或集光机于一体，完成一定功能的复杂微细系统，是实现“片上系统”的发展方向。MEMS固有的低成本、微型化、可集成、多学科综合、广阔的应用前景等特点，使其成为当今高科技发展的热点之一。返回MEMS技术•1.微电子机械系统•2.MEMS技术的特点•3.MEMS的理论基础返回1.微电子机械系统•MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）通常称微机电系统。MEMS将成为促进机械、化学和生物学“智能系统”发展的核心技术。•MEMS系统主要包括(1)微型传感器(2)微执行器(3)相应的处理电路返回MEMS系统与外界相互作用示意图电源A/D转换D/A转换数字信号处理器信息处理单元微传感器微执行器力光声温度其它运动能量信息其它感测量控制量返回2.MEMS技术的特点(1)微型化。传统的机械加工技术是在厘米量级，但是MEMS技术主要为微米量级加工，这就使得利用MEMS技术制作的器件在体积、重量、功耗方面大大减小，可携带性大大提高。(2)集成化。微型化的器件更加利于集成，从而组成各种功能阵列，甚至可以形成更加复杂的微系统。(3)硅基材料。MEMS的器件主要是以硅作为加工材料，这就使制作器件的成本大幅度下降，大批量低成本的生产成为可能，而且硅的强度、硬度与铁相当，密度近似铝，热传导率接近钼和钨。(4)制作工艺与IC产品的主流工艺相似。(5)MEMS中的机械不限于力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、光、磁、化学、生物等效应。(6)MEMS的目标是“微机械”与IC结合的微系统，并向智能化方向发展。返回3.MEMS的理论基础•尺寸效应是MEMS中许多物理现象不同于宏观现象的一个重要的原因，其主要特征表现在：(1)微构件材料的物理特性的变化。(2)力的尺寸效应和微结构的表面效应。(3)微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械尺度的制约。返回9.2.2微型传感器举例1.硅压力传感器2.硅微加速度传感器3.微型流量传感器4.微型氧传感器返回1.硅压力传感器硅压阻式和电容式比较：硅压阻式压力传感器因其独特的优点，现在已经广泛用作高灵敏度、高精度的微型真空计、绝对压力计、流速计、流量计、声传感器、气动过程控制器等，它在航天、海洋工程、原子能等各种尖端科技和工业领域等都有广泛的用途。特别是硅压阻式压力传感器的微型化、可集成化、高灵敏度、稳定性以及植入生物体后的抗腐蚀性，使得其在生物医学研究上具有诱人的应用前景。硅电容式压力传感器近年来也得到了迅速发展，和硅压阻式压力传感器相比，它具有灵敏度高、稳定性好、压力量程低等优点，弥补了硅压阻式压力传感器的不足返回硅电容式压力传感器结构返回一种电容式微硅压力传感器实例返回2.硅微加速度传感器•硅微加速度传感器是继硅压力传感器之后，另一种技术成熟并得到实际应用的硅微机械传感器。•广泛应用于工业自动控制、汽车及其他车辆、振动及地震测试、科学测量、军事和空间系统等方面。三种常用于检测质量块偏移的物理效应是电容效应、压电效应和压阻效应返回典型的硅微加速度传感器的原理、结构和特性（1）硅微压阻式加速度传感器(2)硅微电容式加速度传感器返回3.微型流量传感器（1）压阻式微型流量传感器（2）电容式微型流量传感器（3）小型单片硅压力-流量传感器返回（1）压阻式微型流量传感器•测量原理：利用流体在流动过程中产生的粘滞力或流体通道进出口之间的压力差，带动传感器中敏感元件运动或产生变形，这种运动或变形引起上面的压敏电阻的阻值发生变化，通过检测这种阻值的变化即可测量流体的速度和流量返回基于粘滞力的微型流量计结构返回平行于流动方向上产生粘滞力：lvKFv1悬臂梁在粘滞力的作用下发生形变，产生的表面应力为：vF26bhlFbv由此引起梁的压敏电阻阻值的相对变化为：KvbhllvKKKRRb21226由上式可知，电阻变化率与流速成正比返回（2）电容式微型流量传感器•原理：利用流体流动过程中形成的压力差促使电容传感器极板间距的改变来达到测量流量的目的基于压差作用的电容式微型流量计返回（3）小型单片硅压力-流量传感器•小型单片压力-流量传感器主要由一个带绝热结构的热流量传感器和一个压力传感器组成返回4.微型氧传感器薄膜限制电流型的氧传感器结构返回