新型傳感器原理及應(yīng)用.ppt

1、,微 傳 感 器,MEMS微機電系統(tǒng)與微型傳感器,微型壓力傳感器,微型加速度計,微 傳 感 器,一MEMS微機電系統(tǒng)與微型傳感器,微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS)，專指外形輪廓尺寸在毫米級以下，構(gòu)成它的機械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米至納米級，可對聲、光、熱、磁、壓力、運動等自然信息進行感知、識別、控制和處理的微型機電裝置。 是融合了硅微加工、光刻鑄造成型和精密機械加工等多種微加工技術(shù)制作的微傳感器(Microsensors)、微執(zhí)行器(Microactuators)和微系統(tǒng)(Microsystems)。,通過將微型的電機、電路、傳感

2、器、執(zhí)行器等裝置和器件集成在半導(dǎo)體芯片上形成的微型機電系統(tǒng)，不僅能搜集、處理和發(fā)送信息或指令，還能按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部指令采取行動。 它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(shù)(IC)。在IC中，有一個基本單元，即晶體管。利用這個基本單元的組合并通過合適的連接，就可以形成功能齊全的IC產(chǎn)品；在MEMS中，不存在通用的MEMS單元，而且MEMS器件不僅工作在電能范疇，還工作在機械能范疇或其他能量范疇如磁、熱等。,微 傳 感 器,1. MEMS的特點 微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多個傳感

3、器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器或微執(zhí)行器陣列甚至可以把多種器件集成在一起以形成更為復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器或微執(zhí)行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高穩(wěn)定性的智能化MEMS。,多學(xué)科交叉：MEMS的制造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學(xué)、和生物等多種學(xué)科。同時MEMS也為上述學(xué)科的進一步研究和發(fā)展提供了有力的工具。,微 傳 感 器,2. MEMS技術(shù)發(fā)展概況 1959年12月美國物理學(xué)家，諾貝爾獎得主Richard Feynman這樣來描述MEMS技術(shù)：“如果有一天可以按人們的意志安排一個個原子，那將會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”三年以后，硅微力傳感器問世。 1987年，美國加州

4、大學(xué)伯克利分校研制出轉(zhuǎn)子直徑僅60m -120m的靜電電機。 1987年，美國UCBerkeley發(fā)明的微馬達，在國際學(xué)術(shù)界引起轟動。,1993年，美國ADI公司采用該技術(shù)成功地將微型加速度計商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著微機電系統(tǒng)技術(shù)商品化的開端。 此后，眾多發(fā)達國家先后投巨資并設(shè)立國家重大項目促進MEMS技術(shù)發(fā)展。MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特別是深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后，圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。一次性血壓計是最早的MEMS產(chǎn)品，目前國際上每年都有幾千萬只的用量。,微 傳 感 器,目前，MEMS器件應(yīng)用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)當(dāng)屬汽車工業(yè)?，F(xiàn)代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動系統(tǒng)(A

5、BS)、電噴控制、轉(zhuǎn)向控制和防盜器等系統(tǒng)都使用了大量的MEMS器件。為了防止汽車緊急剎車時發(fā)生方向失控和翻車事故，目前各汽車制造公司除了裝備ABS系統(tǒng)之外，又研制出電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)配合使用。發(fā)生緊急剎車情況時，這一系統(tǒng)可以在幾微秒之內(nèi)對每個車輪進行制動，以穩(wěn)定車輛行車方向。,近年來，國際上MEMS的專利數(shù)正呈指數(shù)規(guī)律增長，MEMS技術(shù)全面“開花”，各式各樣的MEMS器件，已成功地應(yīng)用于自動控制、信息、生化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、航空航天和國防軍事等領(lǐng)域。其中微型壓力傳感器、微加速度計、噴墨打印機的微噴嘴和數(shù)字微鏡顯示器件(DMD)已實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。 美國

6、ADI公司的集成加速度計系列已經(jīng)大量生產(chǎn)，占據(jù)了汽車安全氣囊的大部分市場，年銷售額約為2億美元；TI公司利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的DMD顯示設(shè)備，占有高清晰投影儀市場的大部分份額。,微 傳 感 器,我國20世紀80年代末開始MEMS的研究，到90年代末已有40多個單位的50多個研究小組在新原理器件、通用微器件、新工藝和測試技術(shù)，以及初步應(yīng)用等方面取得顯著進展，形成了微型慣性器件和微型慣性測量組合、微型傳感器和執(zhí)行器、微流量器件和系統(tǒng)、生物傳感器、微機器人和硅及非硅加工工藝幾個研究方向。但同發(fā)達國家相比，我們還有差距。這在MEMS的產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)得尤為突出。因此，跟蹤國外的先進技術(shù)，選好突破口成為我

7、國MEMS技術(shù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。,微 傳 感 器,二微型壓力傳感器,對壓力傳感器而言，常借助彈性元件將被測力轉(zhuǎn)換成機械變形，再輸入給傳感器元件得到輸出電信號。硅微型壓力傳感器中的彈性元件都是膜片，硅膜具有小尺寸、高彈性模量和低密度的特點，從而具有高的固有頻率。 彈性膜片一般都覆蓋在一個空腔結(jié)構(gòu)上，腔體中的參考壓力作用在膜片內(nèi)表面上，被測壓力施加在膜片外表面上。在壓差作用下，膜片發(fā)生變形。 根據(jù)工作原理，硅微型壓力傳感器可分為壓阻式、電容式、諧振式等。,微 傳 感 器,圖 微型壓力傳感器常見空腔形式,微 傳 感 器,1. 壓阻式微型壓力傳感器 作為應(yīng)用最廣的一類微型壓力傳感器，硅壓阻式壓力傳感器出

8、現(xiàn)于20世紀60年代，它也是第一類能進行批量生產(chǎn)的MEMS傳感器。目前，硅壓阻式壓力傳感器在全世界的年產(chǎn)量已上億，應(yīng)用于汽車進汽油管的壓力測量，以控制注油量并淘汰了傳統(tǒng)的汽化器，用作一次性的生理壓力傳感器，以避免交叉感染，還可用于汽車輪胎氣壓測量、水深測量等。,壓阻式壓力傳感器的工作原理是基于壓阻效應(yīng)。用擴散法將壓敏電阻制作到彈性膜片里，也可以沉積在膜片表面上。這些電阻通常接成電橋電路以便獲得最大輸出信號及進行溫度補償?shù)取?優(yōu)點: 制造工藝簡單、線性度高、可直接輸出電壓信號。 主要問題: 對溫度敏感，靈敏度較低，不適合超低壓差的精確測量。,微 傳 感 器,1983年豐田公司率先開發(fā)出帶有片上電

9、路的微型壓力傳感器。 壓阻式傳感器的工作原理可總結(jié)如下： 壓敏電阻與壓力敏感膜片集成為一體； 壓力作用下，敏感膜片發(fā)生變形； 壓敏電阻值的變化對應(yīng)膜片變形，從而間接反映出被測壓力值； 通過電橋電路對壓敏電阻的變化值進行測量。,微 傳 感 器,圖 壓阻式微型壓力傳感器的主體結(jié)構(gòu),壓敏電阻沉積在彈性膜片表面上，電阻與膜片之間有一層SiO2作為隔離層。彈性膜片的典型厚度為數(shù)十微米，是從硅片背面刻蝕出來的。在線性工作范圍內(nèi)，壓敏電阻感受膜片邊緣的應(yīng)變，輸出一個與被測壓力成正比的電信號。 由于是從硅片背面進行硅膜刻蝕的，所以有可能與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝相結(jié)合，將傳感部分和處理電路做成一體。,微 傳 感 器,2.

10、 電容式微型壓力傳感器 電容式微型壓力傳感器通常是將活動電極固連在膜片表面上，膜片受壓變形導(dǎo)致極板間距變化，形成電容變化值。 這類傳感器曾被用于緊急輸血時的血壓計，或用作眼內(nèi)壓力監(jiān)測器，以檢測青光眼等眼球內(nèi)壓反常升高的疾病等。,電容式微壓力傳感器,由各向異性刻蝕單晶硅制作出敏感膜片，通過膜片周圍的固定部分與兩玻璃片鍵合在一起。彈性膜片固連的活動電極和玻璃片上的固定極板構(gòu)成電容器，同時膜片周圍的固定部分與玻璃片之間還形成不受壓力變形影響的參考電容。測量電路制作在同一硅片上，從而形成機電單片集成的微型傳感器。該傳感器芯片的平面尺寸約為8mm6mm。,微 傳 感 器,三微型加速度計,微型加速度計和微機械陀螺都屬于慣性傳感器，均已大量產(chǎn)品化。 在汽車上，微型加速度傳感器用來啟動包括氣囊在內(nèi)的安全系統(tǒng)或用于自動剎車等，以提高汽車的安全穩(wěn)定性和切斷電路。此外，微型加速度計還用于一些可發(fā)揮其低成本和小尺寸特點的場合，例如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的活動監(jiān)控，便攜式攝像機的圖像穩(wěn)定性控制等。,微型加速度計通常由彈性元件(如彈性梁)將慣性質(zhì)量塊懸接在參考支架上。加速度引起參考支架與慣性質(zhì)量塊間發(fā)生相對位移，通過壓敏電阻或可變電容器進行應(yīng)變或位移測量，從而得到加速度值。,微 傳 感 器,壓阻式微型