MEMS传感器原理

微型传感器MicroSensors清华大学微米纳米技术研究中心叶雄英2012.12.29传感器：把被测量转换为电信号输出的器件。•以测量对象分类，微型传感器有：压力、加速度、角速度、力、触觉、流量、磁场、温度、红外、气体、湿度、pH值、离子浓度和生物等等。•以工作方式分类，力学/物理量：压阻式、电容式、压电式、场发射式、隧道效应式、谐振式、热式、光学型；生化量：热式、质量型、电量型、光学型、电化学式等。WhatisaSensor微型传感器的历史早在60年代初，就已开发出了实用半导体应变片；MEMSFirstBucketofGold1962年第一个硅微型压力传感器问世；79年研制出第一个微硅加速度计；94年出现了大批量生产的用于汽车防撞气囊的集成微加速度计。主要的MEMS传感器微型压力传感器微型惯性传感器微型加速度计微型陀螺微型磁强计微型生化传感器其它微型传感器微型触觉传感器微型麦克风微型红外传感器微型流量传感器1.微型压力传感器PressureSensor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。微型压力传感器有各种工作原理，如：压阻、电容、场发射和光纤等。1.1压阻式微型压力传感器PiezoresistivePressureSensor压阻式压力传感器基本原理：将作用于薄膜的被测压力，通过薄膜的应力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，其电阻或电阻率发生变化。硅压敏电阻玻璃压阻式微型压力传感器基本结构ρρν∆++∆=∆)21(LLRR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——泊松比压阻式传感器基本公式其中：π——材料的压阻系数E——弹性模量ε——应变一般金属材料的压阻系数很小，可以忽略。而半导体材料的压阻系数π却很大。对于硅半导体材料，材料的灵敏度系数(GaugeFactor)一般在70～170之间。为应变引起的电阻率的相对变化，与应力σ成正比：∆ρρ∆∆ρρπσπεπ＝==EELLGRRE=≈∆επ硅膜上的电阻在应力作用下相对变化为：其中：πl,πt——沿电阻纵向和横向的压阻系数σl,σt——沿电阻纵向和横向的应力压阻系数为4阶张量。对于立方晶体，坐标轴取在晶轴方向时，压阻系数张量只有3个独立分量：π11,π12,π44∆RRlltt≈+πσπσPiezoresistorsareoftenalignedtothewaferflatof(100)wafers,whichisinthe[110]direction.Thelongitudinalπlandtransverseπtpiezoresistivecoefficientsare:(100)[110]SiliconPiezoresistiveCoefficients应力分布FEmodelofpressuresensorStressintheXdirectiononsurfaceofthemembraneasafunctionofX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Wheatstone电桥，就构成最基本的压阻式压力传感器。电阻值一般取几百～几千欧姆。电阻变化与输出02420131)1()1(RRRRRRαα−==+==()()()21214321423112αααα−++≈++−=RRRRRRRRVVsoα1,α2~0.02R1R2R3R4电阻条电阻条设计考虑：•掺杂浓度•掺杂深度•电阻值•引线块•深度：约2um•电阻值：几百～几千欧姆退火形成欧姆接触ExampleofPressureSensor(1)ICSensor公司的压阻式压力传感器量程:1Psi～250Psi(1Psi≈6.9KPa)压阻式微型压力传感器的特点优点：制作工艺、检测电路简单，得到最广泛的应用。缺点：温度漂移大，需温度补偿。1.2电容式微型压力传感器CapacitivePressureSensor电容式传感器将被测量转换成电容量变化，一般敏感元件为可变电容器的形式。可变电容器有变极距、变面积和变介电常数三种基本方式。微型压力传感器一般采用变极距型。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。电容式微型压力传感器基本结构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ε——极板间介质的介电常数S——极板面积CSd0=εCCCddd00+=−∆∆当∆d《d时忽略高次项得：这种传感器的灵敏度和非线性误差分别为：∆∆∆∆∆CCdddddddd0231=++++∆∆CCdd0≈KCdSd==−∆∆ε2δ=×∆dd100%电容式微型压力传感器的一例子ShuwenGuo,JunGuo,WenH.Ko,Amonolithicallyintegratedsurfacemicromachinedtouchmodecapacitivepressuresensor,SensorandActuators80(2000)224-232.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。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：血压计、植入血压计、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、风洞实验等2.微型惯性传感器MicroInertialSensor定义：利用MEMS技术制作的，把加速度、角速率转换为电信号输出的器件，包括加速度计和陀螺。微型惯性传感器有多种检测原理，如：压阻、电容、压电、隧道效应等。2.1压阻式微型加速度计PiezoresistiveAccelerometer压阻式加速度计利用质量块把加速度的变化通过支撑臂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的变化。质量块加速度方向压阻元件美国ICSensor公司生产的压阻式加速度计∆RRxLl=′∫πσ()压阻式微型加速度计例日本丰桥大学研制的带恒温控制系统，减少温漂的压阻式加速度传感器2.2电容式微型加速度计CapacitiveAccelerometer利用质量块把加速度的变化转换成电容电极间极距的变化，一般采用差分结构。质量块加速度方向电容电极电容式加速度计基本公式其中：C0——静态时电容值C1、C2——中间极板移动后的电容值d——静态时极板间距∆∆∆CCCCdddd=−=++120322∆∆CCdd02≈这种传感器的灵敏度和非线性误差分别为：22dSdCKε−=∆∆=%1002×∆=ddδ检测电路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检测方法进行。•载波调制电压检测从制作工艺上，电容式微型加速度计可分为两类：表面工艺微型加速度计和体硅工艺微型加速度计。表面工艺电容式加速度计，采用叉指式电容。美国AD公司生产的加速度计ADXL202电容式微型加速度计例(1)a.表面扩散b.刻蚀浅槽c.氧化硅/氮化硅双层掩膜d.KOH腐蚀梁区e.KOH腐蚀结构f.硅/玻璃静电键合电容式微型加速度计例(2)力平衡加速度计Noiselevel:300ng/√Hz,ColibrysInc.电容式微型加速度计的特点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。体硅工艺加速度计能实现更高灵敏度和分辨率，其缺点是不便于与电路集成；表面工艺加速度计制作简便、成本低、适合于与电路集成，但难实现更高灵敏度。2.3隧道效应微型加速度计TunnelingAccelerometer在探针电极与检测电极间施加一个偏置电压，当探针与检测电极间的距离非常接近时(nm量级)，它们的表面电子云就有可能重叠，在两者之间施加一个微小电压，电子就会穿过两个电极之间的势垒，形成隧道电流。质量块隧道电流隧道探针膜加速度方向隧道电流的基本公式其中：α＝1.025eV-1/2A-1s－针尖与电极之间的距离Φ－针尖和电极表面间的势垒（对于空气中的金电极，Φ在0.05eV-0.5eV之间）对于典型的Φ和s（Φ＝0.5eV，s=10A(埃)），隧道电流约1nA。间距变化1A(埃)，隧道电流将变化三倍。如电路设计良好，可以测量10-4A的距离变化量。sTunnelingeIIΦ−=α0隧道效应微型加速度计例斯坦福大学制作的隧道效应加速度计，2001带宽:5～1.5KHz,分辨率:20ng/sqrt(Hz)Cheng-HsienLiuandThomasW.Kenny,J.ofMicroelectromechanicalSystems,Vol.10,No.3,September2001隧道效应微型加速度计的特点优点：灵敏度高、带宽宽；缺点：对电路要求较高，需反馈控制,噪声较大。2.4集成光栅加速度计ng分辨率集成光栅加速度计N.C.Loh,J.Microelectromech.Syst,Vol.11,No.3(2002)分辨率达：40ng/√HzMIT光栅SOI体硅工艺，光栅条宽6um，间隙3um激光束照射固定和动光栅上，产生衍射衍射光强与距离ξ有关，通过测量光强的变化，可以得到位移原理：集成光栅传感器原理位移RMSNoise0.02Å(10-1000Hz)2.5热对流式微型加速度计通过测量加速度使封闭腔内热对流气体流动场的变化，获取加速度。利用CMOS工艺制作多晶硅加热/测温电阻以及电路，再利用干法腐蚀电阻下的体硅，形成悬空结构。结构简单，无可动部件。MEMSIC微型加速度计的应用汽车：防撞气囊、悬挂系统国防：导弹制导、引信、飞机/卫星的姿控导航工业：机器人测控、机床减震、电梯控制防灾：地震监测、桥/坝测震家电：摄像机、洗衣机、玩具、游戏机IT：手机、虚拟现实、三维鼠标、硬盘防震其它：水平仪2.6微型陀螺MicroGyro基本工作原理：通过驱动质量块在一方向振动，当有角速度时，将会产生垂直于振动方向和角速度矢量的哥（科）氏力，使质量块产生位移。通过检测位移，得到角速度。振动陀螺振动陀螺的基本公式其中：——哥氏力——被测角速度——激振振动速度m——质量F——哥氏力的幅值ωp——激振频率t——时间tFvmfpωωsin2=×−=fωv当激振频率与检测谐振频率相同时，因哥氏力所产生的振动的振幅A其中：Q——品质因子激励轴和检测轴的谐振频率越接近，灵敏度越高；Q值越高，灵敏度越高；但带宽越窄。AFQQp=−−ω114212/微型振动陀螺例（1）美国Draper实验室研制的音叉式线振动陀螺。体硅工艺制作。平板电容检测。微型振动陀螺例（2）清华研制的振动陀螺。利用体硅、键合工艺，平板电容检测。微型振动陀螺例（3）STMicroelectronics的三轴陀螺LYPR540AH。iPhone4所用同一厂家的陀螺微型陀螺的应用汽车：防抱死、导航国防：导弹制导、飞机/卫星的姿控导航工业：机器人控制新型交通工具：稳定控制消费电子：相机/摄像机防抖动、游戏机、航模IT：手机、平板电脑、虚拟现实3.微型磁强计Micromagnetometer定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：电磁效应式和机械式。机械式：布有线圈或永磁体微结构在磁场中受力变形或运动，通过测量该变形或运动，获取磁强信息。测量方式有：压阻式、电容式、隧道效应式等。在微梁板上支撑着一线圈，线圈通上交变电流，在Lorentz力作用下梁发生振动，利用压敏电阻测量其振幅。分辨率：10-8T，Q：1