第五章微传感器

1、Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)传感器概念传感器概念 传感器传感器两个部分：两个部分：感受被测量（敏感元件）感受被测量（敏感元件）/ /转换成转换成可用输出信号（转换元件）可用输出信号（转换元件）调节器调节器（电）信号（电）信号ADAD转换转换/ /放大放大/ /调制调制/ /滤波滤波/ /解调解调输出转换器输出转换器转换成显示、记录或执行的能量形式转换成显示、记录或执行的能量形式 允许的环境条件允许的环境条件过载性能过载性能工作寿命工作寿命量程量程 全量程输出全量程输出FSOFSO滞变滞变 线性线性 重复性重复性 稳定性稳定性 阈值阈值 选择性选择性

2、 灵敏度灵敏度 响应速度响应速度 偏置偏置输出格式输出格式 分辨能力分辨能力精确性精确性条件与结果条件与结果适应环境能力适应环境能力实用尺度实用尺度最早出现、市场值最大、发展最快最早出现、市场值最大、发展最快 微型化，更重要是利用微效应（尺度、材料）提高性能微型化，更重要是利用微效应（尺度、材料）提高性能 大多测量原理相同或类似，产生许多新传感原理大多测量原理相同或类似，产生许多新传感原理 分类、信息与能量传输方式上相同，制造方式不同分类、信息与能量传输方式上相同，制造方式不同按被测能量形式：按被测能量形式：机械机械/ /电学电学/ /磁学磁学/ /热学热学/ /声学声学/ /光学光学/ /辐

3、射辐射/ /化学化学/ /生物生物 传感器分类传感器分类 有源有源(active(active，例如压电，例如压电) )、无源（、无源（positivepositive，例如荧光），例如荧光） 测量物理量测量物理量形变形变/ /位移位移 结构特征结构特征膜片、梁膜片、梁，原，原因因 材料材料硅硅，原因，原因 传感器按测量参数分类传感器按测量参数分类压力、加速度、角速度压力、加速度、角速度、直线、直线或角位移或角位移 敏感机理敏感机理压电、压阻、压电、压阻、电容、电感、谐振电容、电感、谐振原理原理压电电阻效应压电电阻效应；形变破坏能带结构、改变电子；形变破坏能带结构、改变电子迁移率和载流子密度。

4、迁移率和载流子密度。 压阻系数（压阻系数（n nm m）矩阵）矩阵特点：特点：温漂大；温漂大；电阻最大变化率为电阻最大变化率为5%5%，灵敏度不是很高灵敏度不是很高；结构简单可靠结构简单可靠 应用方式应用方式多为推拉信号的桥式结构多为推拉信号的桥式结构压电检测原理与特点压电检测原理与特点 原理原理压电效应压电效应/ /逆压电效应逆压电效应 压电系数（压电系数（n nm m）矩阵）矩阵 其简化考虑其简化考虑 主要压电常数主要压电常数d33d33、d31d31 特点：特点：分辨率高分辨率高（测基因）、响应快、（测基因）、响应快、工艺兼容性工艺兼容性 应用：麦克风、超声传感器、压力传感器、位移变形应

5、用：麦克风、超声传感器、压力传感器、位移变形iijiDdEjjijiSYTd E原理原理膜片或梁谐振频率随应力变形而改变膜片或梁谐振频率随应力变形而改变激励方法激励方法电阻热、静电、压电、电磁、光热等电阻热、静电、压电、电磁、光热等检测方法检测方法电阻、电容、压电、电磁、光等电阻、电容、压电、电磁、光等 特点：特点： 直接输出频率直接输出频率数字量数字量，无需，无需A/DA/D转换，直接与数字系转换，直接与数字系统联接；闭环工作，性能主要取决于谐振子的机械性质，统联接；闭环工作，性能主要取决于谐振子的机械性质，受受电路参数（如电漂移、噪声等）变化的影响很小电路参数（如电漂移、噪声等）变化的影响

6、很小，测量精度、，测量精度、稳定性及测量分辨率均较优。稳定性及测量分辨率均较优。 电容检测原理与特点电容检测原理与特点原理简单原理简单 特点：特点：零漂小零漂小、结构简单、动态响应快、结构简单、动态响应快、非接触测量。非接触测量。对于侧面力的测量灵敏度较差、电容变化值大所以对于侧面力的测量灵敏度较差、电容变化值大所以灵敏度灵敏度高高；易受杂散电容干扰，所以；易受杂散电容干扰，所以须立即转换成电压信号须立即转换成电压信号 主要结构特征主要结构特征- -膜片、双固梁；敏感机理膜片、双固梁；敏感机理- -压阻、电容、谐振压阻、电容、谐振1 1、电容效应压力微传感器、电容效应压力微传感器 结构：敏感电

7、容结构：敏感电容CsenCsen、参考电容、参考电容CrefCref。改进结构：使改进结构：使CsenCsen变化处处相等变化处处相等结构参数量级：方膜片结构参数量级：方膜片2mm2mm2mm2mm、厚度、厚度20m20m，极板间隙，极板间隙1m1m测量电容值测量电容值0.1-10pF0.1-10pF，改变量更微小，改变量更微小 由于所测电容值很小，对测量放大电路的要求与措施：由于所测电容值很小，对测量放大电路的要求与措施：必须具有很小电容必须具有很小电容集成制作集成制作必须具有很低的温度漂移必须具有很低的温度漂移采用差动结构方案，对输入的采用差动结构方案，对输入的杂散电容和环境温度的变化不敏

8、感，因为同向变化杂散电容和环境温度的变化不敏感，因为同向变化特点特点 灵敏度高灵敏度高高于压阻式高于压阻式1010倍以上倍以上功耗低功耗低低于压阻式低于压阻式2 2个数量级个数量级温漂小温漂小所以重复性和长期稳定性好所以重复性和长期稳定性好 测量放大电路测量放大电路结构结构闭环工作。闭环工作。R谐振子，谐振子，E激励器，激励器，D振动信号检测器，振动信号检测器，A放大调频电路。谐振频率（固有频率）受被测量放大调频电路。谐振频率（固有频率）受被测量M的调制。的调制。 高的机械品质因数高的机械品质因数降低维持能耗降低维持能耗降低因能耗产生的测量误差，在满量程里稳定振动而不漂移降低因能耗产生的测量误

9、差，在满量程里稳定振动而不漂移通常方法：在真空中工作通常方法：在真空中工作 2Q谐振结构的总能量每循环耗散能量结构结构北京航空航天大学微机械传感技术实验室，电阻北京航空航天大学微机械传感技术实验室，电阻热激励、电阻检测式。工艺解释热激励、电阻检测式。工艺解释 性能性能实用的精度已能达到实用的精度已能达到0.01% 0.01% 主要结构特征主要结构特征- -悬臂梁；敏感机理悬臂梁；敏感机理- -压阻、电容、谐振压阻、电容、谐振1 1、谐振效应加速度微传感器、谐振效应加速度微传感器 原理、结构（参数量级例：敏感质量原理、结构（参数量级例：敏感质量1.55mm1.55mm2mm2mm0.3mm0.3

10、mm，支撑梁支撑梁350m350m200m200m22m22m，谐振梁，谐振梁700m700m200m200m5.5m5.5m。固有频。固有频率约率约1.5kHz1.5kHz）激励、检测方法激励、检测方法 梁的频率设计梁的频率设计比系统高出几十倍比系统高出几十倍谐振梁结构、模态选择谐振梁结构、模态选择支撑梁结构特征、双支撑的目的支撑梁结构特征、双支撑的目的 交叉轴加速度解耦交叉轴加速度解耦 气体压膜阻尼气体压膜阻尼 结构设计原则结构设计原则 分辨率指标分辨率指标分辨位移约为分辨位移约为 加速度约为加速度约为0.1 0.1 45 10nm/Hz/gHz 加速度值大加速度值大侵彻武器侵彻武器2 2

11、10105 5g g 响应速度快响应速度快汽车安全气囊，汽车安全气囊，msms时间内完成反应时间内完成反应 可靠性高可靠性高适用要求适用要求 可靠性的措施可靠性的措施阵列式阵列式 电子科技大学成果电子科技大学成果8 8个相同的硅悬臂梁个相同的硅悬臂梁压阻效应，悬臂梁根部扩散电阻，压阻效应，悬臂梁根部扩散电阻，同时将惠斯顿电桥扩散在同一芯片同时将惠斯顿电桥扩散在同一芯片能够测试能够测试1.131.1310105 5g g加速度加速度 作为微执行器的特点作为微执行器的特点 原理、结构原理、结构 采用该原理的原因采用该原理的原因 性能特点性能特点 目的：脉冲宽度调制信号的占空目的：脉冲宽度调制信号的

12、占空比与加速度成正比比与加速度成正比 控制电路控制电路 灵敏度很高灵敏度很高低频微弱加速度低频微弱加速度 精度高精度高满足惯性导航要求满足惯性导航要求 量程较小量程较小 主振动主振动绕绕z z旋转旋转yy方向交方向交变的哥氏力变的哥氏力FcFc形成辅振动形成辅振动检测检测y(t)y(t)，幅值与绕，幅值与绕z z旋转角速旋转角速度的大小成比例，相位与绕度的大小成比例，相位与绕z z旋转旋转方向有关方向有关2 ()czcFmv 陀螺技术发展陀螺技术发展机械转子陀螺仪机械转子陀螺仪激光陀螺、半球谐振陀螺激光陀螺、半球谐振陀螺光光纤陀螺纤陀螺MMG现状现状 完全轴对称谐振微结构及其应力释放完全轴对称

13、谐振微结构及其应力释放 消除驱动、检测运动的动平衡差异消除驱动、检测运动的动平衡差异 相对制造精度相对制造精度静电激励和电容检测静电激励和电容检测 信号检测电路信号检测电路 高高Q Q值值 激励和检测技术激励和检测技术引入纳米制造技术的前景引入纳米制造技术的前景 真空容腔内振动真空容腔内振动分辨率分辨率1010-18-18F F、强抗干扰能力、强抗干扰能力 结构特点结构特点 理想的完全轴对称理想的完全轴对称制造容易制造容易稳定、抗干扰强稳定、抗干扰强 原理原理 材料特点材料特点已达惯导级指标已达惯导级指标球直径球直径60-150mm60-150mm 现状现状 发展成发展成MMG存在的问题存在的

14、问题阈值低、灵敏度高阈值低、灵敏度高特点特点实现宏观流量点控制、适合于微流量系统实现宏观流量点控制、适合于微流量系统精确的流量、流速控制精确的流量、流速控制尺度小尺度小热风速微传感器热风速微传感器 声、光、电、磁、热等声、光、电、磁、热等 特点特点 结构尺寸小结构尺寸小与与ICIC兼容性好（工艺、材料、工作条件）兼容性好（工艺、材料、工作条件）电磁感应电磁感应/ /磁场电效应磁场电效应/ /核子效应核子效应/ /超超导量子干涉导量子干涉/ /磁致伸缩磁致伸缩/ /磁光效应等磁光效应等 物理原理物理原理特别有利于微型化特别有利于微型化 传统应用传统应用磁强针，磁罗盘、电流探测器、磁读出磁强针，磁

15、罗盘、电流探测器、磁读出头以及无刷电机中的转子位置探测器等头以及无刷电机中的转子位置探测器等 提高灵敏度提高灵敏度 降低漂移降低漂移 霍尔传感原理与宏观霍尔器件霍尔传感原理与宏观霍尔器件 MEMS霍尔器件结构与原理霍尔器件结构与原理 应用情况与问题应用情况与问题 铁磁性薄膜磁阻元件铁磁性薄膜磁阻元件/ /半导体磁阻元件半导体磁阻元件 原理原理 电阻率与磁场关系推导电阻率与磁场关系推导 20()(/)ysR HRR HH 结构结构磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长度度x x方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度方向（易轴方向），外

16、加磁场沿薄膜的宽度y y方向等方向等材料在磁场中表现出的电阻率各向异性材料在磁场中表现出的电阻率各向异性存在问题：非线形关系存在问题：非线形关系施加偏场的方法施加偏场的方法解决线性化问题解决线性化问题重要用途重要用途磁盘驱动器中磁盘驱动器中的读出磁头的读出磁头 器件发展器件发展MR-GMR-MI灵敏度指标灵敏度指标 %/Oe%/Oe 原理原理固有状态固有状态在外加磁场信号的影响在外加磁场信号的影响通过分析脉冲的相位变化，可测通过分析脉冲的相位变化，可测量外加磁场的大小量外加磁场的大小最常用的形式：读出偶次谐波，最常用的形式：读出偶次谐波，傅里叶分析出结果傅里叶分析出结果 特点特点直流或很低频率

17、直流或很低频率高灵敏度高灵敏度1010-10-10T T MEMS MEMS磁通门结构磁通门结构材料选用材料选用 线圈线圈/ /磁芯磁芯/ /绝缘层绝缘层/ /基底基底注意工艺结构特点注意工艺结构特点分析工艺兼容性分析工艺兼容性磁阻元件磁阻元件参数变化比大参数变化比大频率高频率高重要用途：磁盘驱动器中的读出磁头重要用途：磁盘驱动器中的读出磁头霍尔器件霍尔器件灵敏度、精度、频率一般灵敏度、精度、频率一般结构简单、工艺成熟、成本低结构简单、工艺成熟、成本低适合于电机等普通场合适合于电机等普通场合磁微传感器应用磁微传感器应用磁通门导航罗盘（飞机、导弹、卫星、汽车和潜艇）磁通门导航罗盘（飞机、导弹、卫

18、星、汽车和潜艇）位置传感位置传感非接触型流速计非接触型流速计非接触型电流测量非接触型电流测量金属物体探测金属物体探测古磁学测量古磁学测量磁性油墨的读出等磁性油墨的读出等 磁通门磁通门灵敏度最高灵敏度最高成本高成本高适合高精度传感（例如导航）适合高精度传感（例如导航）微型化成本降低则前景很好微型化成本降低则前景很好工作原理工作原理 / /温度系数温度系数 / /线性化线性化 三个热电效应原理三个热电效应原理 塞贝克塞贝克See-back 珀耳贴珀耳贴Peltier 汤普森汤普森Thompson 普通热电偶原理普通热电偶原理 理想参考结点热电偶测量原理理想参考结点热电偶测量原理 2 2、热电偶、热

19、电偶 商品化的商品化的ICIC精密温度传感器精密温度传感器 量热传感器量热传感器 铋铋- -锑结阵列薄膜热电偶式传感器锑结阵列薄膜热电偶式传感器基于热电偶原理的酵素微传感器基于热电偶原理的酵素微传感器 3 3、其他新原理温度传感器、其他新原理温度传感器 4 4、温度传感作为其他传感器的基础、温度传感作为其他传感器的基础 再述微流速计例再述微流速计例 材料选择材料选择 铁铁/康铜，铂康铜，铂/铂铂-10%铑，半导体铑，半导体/金属金属热电偶堆（热电偶堆（thermopile） 灵敏度，红外辐射（灵敏度，红外辐射（IR）无源传感器无源传感器 外光电效应外光电效应真空光电管、光电倍增管等真空光电管、

20、光电倍增管等 内光电效应内光电效应真空光电管、光电倍增管等真空光电管、光电倍增管等 光电导效应光电导效应半导体光敏电阻，当光辐射时半导半导体光敏电阻，当光辐射时半导体材料电子和空穴增殖体材料电子和空穴增殖 光生伏特效应（光伏效应）光生伏特效应（光伏效应）光电池光电池/ /太阳能电池类；太阳能电池类；光敏晶体管类（光敏二极管光敏晶体管类（光敏二极管/ /三级管、三级管、PINPIN光敏三级管、光敏三级管、肖特基势垒光敏二极管、雪崩光敏二极管（肖特基势垒光敏二极管、雪崩光敏二极管（APDAPD）等）等 特点特点直接利用材料光直接利用材料光- -电转换物理效应电转换物理效应 优点：优点：灵敏度高、电

21、绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等耐高温、体积小、重量轻等应用灵活、适应面广，开应用灵活、适应面广，开辟了很大应用空间辟了很大应用空间 既传光，也是敏感元件既传光，也是敏感元件 光纤内光传输特性受被测物理量作用（例如材料机械变光纤内光传输特性受被测物理量作用（例如材料机械变形）而发生变化，使光的属性（光强、相位、偏振态、波形）而发生变化，使光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制。长等）被调制。探测的对象往往不是光，严格地讲各属于探测的对象往往不是光，严格地讲各属于机械量等传感器。机械量等传感器。 传感型传感型 传光型传光型

22、 严格地讲不是传感器原理，而只是一种传输光线结构严格地讲不是传感器原理，而只是一种传输光线结构 实例包括：水下声波传感器、光纤微弯曲传感器、耦合波实例包括：水下声波传感器、光纤微弯曲传感器、耦合波导传感器、移动光纤水听器、光栅传感器、偏振传感器及导传感器、移动光纤水听器、光栅传感器、偏振传感器及全内反射传感器等全内反射传感器等 光强传感型光强传感型 光纤陀螺仪、声传感器、光纤光磁传感器（通过磁致伸缩材光纤陀螺仪、声传感器、光纤光磁传感器（通过磁致伸缩材料外壳转换）等。料外壳转换）等。经过特殊掺杂或表面涂层的光纤经过特殊掺杂或表面涂层的光纤机械量传感器（加速度机械量传感器（加速度计，测量液面位置

23、、形变、位移、力矩、流量的探测器）；计，测量液面位置、形变、位移、力矩、流量的探测器）；辐射剂量测定仪、电流传感器、温度传感器；辐射剂量测定仪、电流传感器、温度传感器；光（相位）干涉传感型光（相位）干涉传感型 （光纤传感型中）（光纤传感型中） 微型化在生化成分检测中的优势微型化在生化成分检测中的优势突破宏观检测阈值突破宏观检测阈值微小电极对微小样品，即使样品电微小电极对微小样品，即使样品电导率很小，极小电流也能形成有效的欧姆电压导率很小，极小电流也能形成有效的欧姆电压电极微小，电流输出受对溶液流动不敏感电极微小，电流输出受对溶液流动不敏感 电容式接地的电流与表面积成正比，从而改善信噪比电容式接

24、地的电流与表面积成正比，从而改善信噪比微电极的响应快速微电极的响应快速一般尺度效应一般尺度效应形成许多新的检测原理形成许多新的检测原理实现微量样本的检测实现微量样本的检测薄膜、薄膜、 微纳结构表面吸附生化成分微纳结构表面吸附生化成分电极浸入生化液体电极浸入生化液体封装特点封装特点需要一块暴露区域，为提高效果希望接触面积大需要一块暴露区域，为提高效果希望接触面积大需要考虑环境损伤问题需要考虑环境损伤问题影响封装完整性，增大封装难度影响封装完整性，增大封装难度 SnO SnO2 2氧化物活性材料是一种氧化物活性材料是一种N N型半导体型半导体 较高温度时，空气氧接受由较高温度时，空气氧接受由N N

25、型型SnOSnO2 2薄膜提供的电子成为薄膜提供的电子成为阴性粒子阴性粒子 还原性气体将与原先吸附的氧阴离子发生反应而带正电，还原性气体将与原先吸附的氧阴离子发生反应而带正电，或者还原性气体与吸附的氧原子发生反应而释放束缚电子或者还原性气体与吸附的氧原子发生反应而释放束缚电子 材料材料氧化物半导体，氧化物半导体，SnOSnO2 2基最常用基最常用 大气污染、有害气氛等检测大气污染、有害气氛等检测一氧化碳、硫化氢等一氧化碳、硫化氢等 火灾检测与燃烧控制火灾检测与燃烧控制低浓度可燃气体或一氧化碳、低浓度可燃气体或一氧化碳、氢、甲烷等还原性气体氢、甲烷等还原性气体 有毒危险气体的检漏有毒危险气体的检

26、漏 人体检测人体检测乙醇、麻醉试剂等乙醇、麻醉试剂等灵敏度高灵敏度高表达法成本低成本低时间响应快时间响应快低能耗低能耗长期漂移长期漂移选择性较差选择性较差 改进掺杂贵金属易受温度、湿度干扰易受温度、湿度干扰gaGSG当前主流工艺当前主流工艺氮气携带含锡的有机复合物蒸气氮气携带含锡的有机复合物蒸气与基板表面吸附的氧与基板表面吸附的氧反应形成氧化物反应形成氧化物高温退火形成高温退火形成SnOSnO2 2气敏膜气敏膜参数：膜厚和晶粒尺寸在几十纳米至几百纳米范围内参数：膜厚和晶粒尺寸在几十纳米至几百纳米范围内 CVD法法双气体混合反应双气体混合反应蒸发法蒸发法 单质沉积后再单质沉积后再反应反应纯锡金属

27、（或锡合金）加热沉积纯锡金属（或锡合金）加热沉积在含氧气氛中高温转在含氧气氛中高温转变成氧化物。参数：膜厚几百纳米量级变成氧化物。参数：膜厚几百纳米量级 制备条件控制膜厚和晶粒尺寸制备条件控制膜厚和晶粒尺寸决定响应时间等性能决定响应时间等性能 IC薄膜工艺薄膜工艺用用SnO2粉末烧结成多孔厚膜粉末烧结成多孔厚膜 初始工艺初始工艺采用丝网印刷，将气敏膜印刷到采用丝网印刷，将气敏膜印刷到AlAl2 2O O3 3基板上基板上活性层的厚度约在几个微米至几十个微米之间活性层的厚度约在几个微米至几十个微米之间优点优点气敏层多孔气敏层多孔有利于增大接触面积有利于增大接触面积传感元件几何形状多样（例如共面、

28、叉指或夹心型）传感元件几何形状多样（例如共面、叉指或夹心型） 设计制作简单设计制作简单厚膜工艺厚膜工艺 IC薄膜工艺形成结构薄膜工艺形成结构半导体化学传感器半导体化学传感器离子敏感场效应晶离子敏感场效应晶体管体管 ISFET基于传统的电化学分析原理基于传统的电化学分析原理与固态或液态电解质接触与固态或液态电解质接触多个电极组成的电化学电池多个电极组成的电化学电池 原理与结构原理与结构电导电导/ /电容测量电容测量电位测量测量电位测量测量伏伏- -安特性测量安特性测量工作模式工作模式引入新技术引入新技术微加工工艺技术微加工工艺技术新材料（固态电解质、导电高聚物等）新材料（固态电解质、导电高聚物等） 声学传感器声学传感器利用频率利用频率MHMHZ Z-GH-GHZ Z的弹性波测量物理、生化量的弹性波测量物理、生化量 固体表面传播的声表面波（固体表面传播的声表面波（SAWSAW） 在很薄