現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與應用

第八章微傳感器

微傳感器的概念微傳感器的分類基本敏感原理介紹微傳感器的實例微傳感器的應用本章主要內(nèi)容微傳感器的概念微傳感器：基于MEMS工藝的，能把被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件，通常由敏感元件和傳輸元件組成。MEMS微傳感器原理框圖微傳感器是今天最廣泛使用的MEMS器件，通常使用集成電路工業(yè)中發(fā)展起來的手段和技術(shù)來制造，比如微金屬版印制技術(shù)、刻蝕技術(shù)等，也采用專門為微傳感器制造開發(fā)的新技術(shù)。微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的技術(shù)指標：量程：測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。靈敏度：傳感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。分辨率：指在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量。零軸穩(wěn)定性重復性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致程度。頻響范圍：在規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作的頻率區(qū)間。微傳感器的概念對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即。非線性傳感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出--輸入特性為直線。靈敏度線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出—輸入特性是線性的，它具有以下優(yōu)點：（1）可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計計算；（2）為標定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便，只要知道線性輸出—輸入特性上的兩點就可以確定其余各點。微傳感器的概念（3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調(diào)試容易，提高測量精度；（4）避免了非線性補償環(huán)節(jié)。實際上許多傳感器的輸出—輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應，一般用多項式表示輸出—輸入特性。附例：一個微加速度傳感器的指標靈敏度：100mV/g量程：50g

頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)安裝諧振點:30kHz分辨率：0.0002g抗沖擊：2000g

重量：8mg安裝螺紋：M5mm線性：≤1%橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%輸出阻抗：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC典型值：24VDC溫度范圍：-40～+120℃殼絕緣電阻：＞Ω安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋)幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm按傳感機理分

壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對流按物理參數(shù)分力（加速度/壓力/聲）熱（熱電偶/熱阻）光（光電類）電磁（磁強計）化學和生物醫(yī)學（血糖/電容化學/化學機械）微傳感器的分類(1)壓阻敏感原理當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應稱為壓阻效應。在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應力分布，應力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化微傳感器的敏感原理電阻的基本關(guān)系式電阻率的變化率電阻的變化率其中，為壓阻系數(shù)壓阻變化的具體過程

1）金屬電阻的改變主要由材料幾何尺寸的變化引起，因此起主要作用；2)半導體電阻的改變主要由材料受力后電阻率的變化引起，因此起主要作用；3)半導體的靈敏度因子比金屬的高得多，一般在70-170之間。

在正交坐標系中，沿任一晶向分布的壓敏電阻，電阻的變化率與應力的關(guān)系為其中主晶軸坐標系下的縱向、橫向及剪切壓阻系數(shù)P型壓敏電阻的變化率為N型壓敏電阻的變化率為壓阻才式傳都感器迅輸出傭信號匠的檢妻測一尾般需悄要采袖用惠紙斯通古電橋惠斯頓電橋連接圖S+S2-S1-O-O+輸出映電壓電容卸式微樣傳感零器的省基本即結(jié)構(gòu)(2較)電容甚敏感胃原理利用堂可變岸電容韻器作希為傳羊感元灣件，辯將作租用于蒙傳感交元件飲上的引不同齡物理神量的良變化妨轉(zhuǎn)換罰為電灣容值恥的變薪化。間隙紡變化累型：棒改變富兩極庫板間革隙δ面積貓變化握型：返改變悉形成險電容耍的有呈效面絲式積A介質(zhì)押變化找型：濱改變刑兩極敏間介嗎質(zhì)的幣介電印常數(shù)ε平行慨板電劍容器歪的電靠容為間隙督變化也型電哈容式喉微傳冠感器利用惑泰勒厚級數(shù)改展開根，由槍麥克呆勞林爹公式詳可得略除決高階嶺無窮襲小項馬，得這時偵傳感陪器的轉(zhuǎn)靈敏德度和博非線簽性誤在差分躬別為采用蔽差動禮電容粘結(jié)構(gòu)謎可以該大大隔減小欣傳感所器輸杏出的耳非線穗性：(3糠)隧道群電流欺敏感鬧原理在距罷離十垃分接跌近的鞠隧道害探針鳥與電屢極之勤間加救一個兔偏置瞇電壓怖，當籍針尖擋和電飾極之架間的救距離劉接近炮納米梯量級恒時，清電子沾就會滿穿過蹤蝶兩者鄰之間棕的勢咱壘，里形成凍隧道腦電流閣。隧道電流質(zhì)量塊隧道探針輸入感應力方向膜隧道電流式微傳感器的基本結(jié)構(gòu)為直績流驅(qū)準動電倡壓，化單位腐為V；畫為隧相道電梢流，際單位為A；頁為常厚數(shù)，破等于現(xiàn)；壞為有歐效隧道勢柜壘高起度，哲單位紡為eV；態(tài)為隧襪道電般極間瀉距，植單位廉為nm。在宅標準野情況喘下(0畝.5eV，1n劑m)，隧遭道電錢極間醋距揀變猜化0.寧1n述m時，手隧道避電流工改變2倍。致利用寶這個廊原理勻，可節(jié)以設(shè)咐計各乖種微攏傳感閣器。∝隧道具電流拌式微嬌傳感腸器是默一種杠高靈杏敏度榜的微紹傳感矩器，羨具有鋒噪聲驗小、筆溫度教系數(shù)蜜小以膽及動搬態(tài)性厭能好棋等特男點。隧道扁電流梳隨距障離d的變共化曲晌線(4咽)壓電是敏感攀原理壓電游效應:某些佛物質(zhì)王在沿怕一定鵝方向拜受到份壓力漸或拉知力作史用而蝴發(fā)生在變形熊時，退其兩潛個表拜面上停會產(chǎn)殼生極件性相條反的劍電荷芬；若波將外浴力去丈掉時孕，又繼重新歸回到元不帶根電的床狀態(tài)眾。逆壓鑄電效買應：在壓請電材溉料兩往端施它加一帳定的廳電壓坊，材氏料會蘇表現(xiàn)像出一牧定的喊形變偶（伸吊長或瘋縮短饞）。壓電最材料漸的特杰性?；璩Ｓ没\電荷嘆靈敏心度系網(wǎng)數(shù)來過表示電荷露靈敏島度系咬數(shù)：蒼沿i軸在滾材料揪表面舍產(chǎn)生閥的電錄荷與塌沿j軸所癢加的竄力F的關(guān)危系得出舅兩金格屬板晃間的饞電壓費差(5仆)諧振女式敏欲感原槳理當加閥速度杯計連旱接的皺外殼間的振蓮動頻琴率接氣近器盛件的肌固有搬頻率足時，滴共振像就會則發(fā)生收；也來就是β＝ω/漢ωn→1萬.0。檢償測質(zhì)梁量在勿這個獅頻率蔬下振目幅達烏到峰坡值。紡對微這加速紐奉度計妨而言封，器匹件在鎖這一困頻率猶提供嘴了最廈靈敏普的輸瞧出。腿這種騰振動流測量醬器件幕在共損振頻吵率處于的峰絕值靈胃敏度律的優(yōu)挎勢已贈經(jīng)在蹤蝶微傳紀感器訂設(shè)計說中被莊利用巴。Ho在we到[1宴98饅7]發(fā)展揪了一斃個分串析承貨受縱譯向力治的振虛動梁消在模滿態(tài)1時的舞固有嶄頻率勵的理汁論y(x鼻,t)滿足其中是梁塌單位育長度傭的質(zhì)魯量(6飄)熱對跪流式客敏感揚原理向加掘熱元宇件施墓加一檢定的慨熱功棒率，紛加熱纏元件宰周圍塑形成獻溫度鏡場，滔流體毒流動鋤使溫次度場斗發(fā)生捕變化惜，分稀別位決于上才下游碰的檢襪測元比件之搭間就嗓會產(chǎn)廢生溫吵差。被測過流體仿的質(zhì)突流量飽與加夫熱件淋上下漢游端呀的溫神度差T之間晶的關(guān)雪系為勵：P:加熱劉功率點，J：熱商功當麗量cp：被雀測流闊體的武定壓取比熱傳感器類型測量范圍精度頻響線性度信號處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡單電橋電路簡單好電容式小高中較好高靈敏度的開關(guān)電容或電橋電路復雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環(huán)諧振回路復雜差壓電式大低高較好電荷放大器簡單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測電路復雜差熱對流式大中低一般熱敏電阻電橋簡單差各種濾敏感慶原理毒特點寨比較各種卷敏感堪原理掌的優(yōu)注缺點優(yōu)點缺點靜電敏感材料簡單需要較大的器件尺寸以得到足夠大的電容較低的工作電流與工作電壓信號讀出電路復雜響應速度快對微粒與濕度敏感熱敏感材料簡單相對較大的功耗省去了可動部件相對靜電敏感響應速度較慢壓阻敏感高靈敏度需要硅摻雜工藝以獲取高性能的壓敏電阻材料簡單（金屬應變計）對環(huán)境溫度變化敏感壓電敏感電信號自產(chǎn)生能力，無需外加電源材料生長和制造工藝流程復雜，不能在高溫條件下工作微傳梨感器曲的實田例(1臉)——力學微加牢速度載傳感案器微陀柳螺儀微壓值力傳春感器微麥譯克風微加恐速度豬傳感阿器主要暖用于來測量浴物體泉運動范過程由中的純加速漫度：蠢過載鴨、振尋動和旬沖擊壓阻花式、險電容縱式、舍壓電溉式、軌隧道蟲電流肝式微裂加速阻度計詠。壓阻星式撓度應力一階確固有螞頻率阻尼噸比壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導電膠引線微加纖速度鋤計的刷剖面沉結(jié)構(gòu)發(fā)示意持圖單懸臂梁微加速度計雙懸臂梁微加速度計壓阻式微加速度計樣品SEM照片電容礙式懸浮支架加速度固定支架導電電極襯底質(zhì)量塊)垂直敏感電容微加速度計結(jié)構(gòu)固定支點加速度懸浮支架質(zhì)量塊感應叉指b)水平敏感電容微加速度計結(jié)構(gòu)電容式加速度計的不同敏感電容1)平行雖板電鞠容式律微加表速度錫計“三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計結(jié)構(gòu)硅玻璃玻璃硅硅平行尋板結(jié)筍構(gòu)電例容式肢微加父速度蠟計雖窯然具尿有較犁高的招靈敏艷度，涂但是隸其制傷作需畢要腐適蝕、恥組裝猾、鍵砍合等角多種她工藝困，過眠程復買雜，植無法憲與硅且平面笛工藝思兼容發(fā)，難膛以實郊現(xiàn)批繪量化取、低側(cè)成本強生產(chǎn)必。2)梳狀設(shè)電容姐式微善加速漆度計撓性梁定齒基底位移定齒立柱敏感質(zhì)量C1C2梳狀陳結(jié)構(gòu)的電響容式估微加抗速度責計一柿般采樹用叉指厲結(jié)構(gòu)，屬選于硅瓜材料肆線加傻速度卡計，洪其結(jié)艇構(gòu)加簡工工素藝與即集成鈴電路快加工道工藝形兼容閣性好旋，可型以將莖敏感沾元件叨和信握號調(diào)早理電們路用臉相同女的工銳藝在汁同一父硅片傅上完笑成，事實現(xiàn)晴整體卻集成顧。隧道獻電流閑式隧道盾式微謠加速藝度計痰，通肝常有貍懸臂饅梁式顯、多圓梁支備撐式刷和扭嘉擺軸叛式等鋪幾種峽結(jié)構(gòu)懸臂梁隧道針尖懸臂梁式隧道效應微加速度計檢測質(zhì)量電極扭轉(zhuǎn)鉸鏈檢測質(zhì)量可變電極擠壓膜阻尼孔氮化層懸臂梁隧道針尖St遞an付fo般rd大學降的雙塊懸臂疲梁式快隧道緞效應宇加速耕度計壓電諷式微騎加速穿度計壓電妄式微椅加速為度計垮具有閉測量獎范圍坦寬、譜啟動益快、毯功耗食低、扔直流望供電淘、抗暖沖擊舞振動以、可敬靠性娘高等挪顯著首優(yōu)點雞，在所慣性脹導航吧系統(tǒng)暮中有芒著廣粗泛的朱應用尺。敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質(zhì)量壓電式微加速度計原理示意圖m輸出源極傳感電容比較電容懸臂梁氧化鋅FET放大器Vdd壓電式微加速度計的結(jié)構(gòu)焊盤根切P阱電阻微陀脾螺儀利用到振動需質(zhì)量藝塊被叨基座(儀表鬧殼體)帶動厘旋轉(zhuǎn)夫時的櫻哥氏憤效應暮來敏點感角娃速度瞇，具店有成失本低壟、體讓積小撒、重鐮量輕交、可熟靠性包高、臺可數(shù)干字化況及可繼重復寫大批激量生閥產(chǎn)等禍優(yōu)點躲。線驅(qū)錄動式損微陀卡螺儀角驅(qū)質(zhì)動式委微陀詢螺儀線振抵動(音叉孟式)微陀絲式螺儀角振峰動式咐微陀擁螺儀微壓福力傳拍感器壓力茫傳感膛器是老測量喘壓力月的傳欄感器畢件，步是使廁用極剪為廣盾泛的籠一種累傳感腦器具有浸體積合小、院重量久輕、刮靈敏統(tǒng)度高挨、精傲度高樣，動疤態(tài)特聚性好民，耐寫腐蝕玻、零毒位小攻等優(yōu)輛點常見捉的微湖壓力僑傳感耗器有跌三種留：壓侵阻式胃、電羞容式牧和壓冷電式槳微壓靜力傳拒感器壓阻小式硅薄膜焊盤P型擴散壓阻金屬導體N型外延層P型襯底玻璃襯底腐蝕腔壓阻式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)氮化硅多晶硅環(huán)境應力徑向應力壓敏電阻參考壓力外加壓力

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