MEMS微传感器的工作原理(1)

1、Agenda微传感器的概念微传感器的概念微传感器的分类微传感器的分类基本敏感原理介绍基本敏感原理介绍微传感器的实例微传感器的实例微传感器的概念微传感器：基于微传感器：基于MEMS工艺的工艺的，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。MEMS微传感器原理框图微传感器的概念微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。微传感器的技术指标技术指标：l量程：测量范围上限值和下限值的代数差。l灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值l线性度：传感器输出与

2、输入之间的线性程度。l分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最 小变化量。l重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试 时所得特性曲线不一致程度。l频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作 的频率区间。微传感器的概念例：某微加速度传感器的指标灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 抗冲击：2000g 重量：8mg安装螺纹：M5 mm 线性：1% 横向灵敏度：5% 典型值：3%输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC温度范围：-40+120 壳绝缘电阻： 安装力矩：

3、约20-30Kgf.cm(M5螺纹) 几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm 微传感器的分类微传感器的分类按物理参数分按物理参数分 力（加速度/压力/声） 热（热电偶/热阻） 光（光电类） 电磁（磁强计） 化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）微传感器的分类微传感器的分类按传感机理分按传感机理分压阻压电隧道电容谐振热对流微传感器的敏感原理微传感器的敏感原理(1)压阻敏感原理压阻敏感原理当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为化的效应称为压阻效应压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的

4、阻值发生变化。ALRdKELLRR21d21dE电阻的基本关系式电阻率的变化率电阻的变化率其中，为压阻系数压阻变化的具体过程压阻变化的具体过程21 EK 1)金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此 起主要作用； 2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此 起主要作用； 3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。21E 在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为tt1111其中2121212121214412111112nlnmml22212221222144121112t2nnmmll主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系

5、数 P型压敏电阻的变化率为 5103 .668 .71tlttllRRN型压敏电阻的变化率为 5106 .172 .31tlttllRR压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥1R 1R2R 2R3R 3R4R 4R惠斯顿电桥连接图S+S2- S1-O-O+ioURRU输出电压电容式微传感器的基本结构 (2)电容敏感原理电容敏感原理 利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。 间隙变化型：改变两极板间隙面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电常数平行板电容器的电容为AC0(2)电容敏感原理电容敏感原理 间隙变化型电容

6、式微传感器11CC利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得 nCC21(2)电容敏感原理电容敏感原理 略除高阶无穷小项，得2dSdCKCC这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为dd100%(2)电容敏感原理电容敏感原理 采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：01AC02ACACC2112101212CCCC(2)电容敏感原理电容敏感原理 (3)隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。 隧道电流质量块隧道探针输入感应力方向

7、膜隧道电流式微传感器的基本结构 为直流驱动电压，单位为V； 为隧道电流，单 位为A； 为常数，等于 ； 为有效隧 道势垒高度，单位为eV； 为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5 eV，1nm)，隧道电极间距 变化0.1nm时，隧道电流 改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。bVtI211eVnm25.10dtId(3)隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 dVIbtexp : 隧道电流，单位为A； : 直流驱动电压，单位为V； : 常数，等于 ； : 有效隧道势垒高度，单位为eV； : 隧道电极间距，单位为nm。 在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d d 变化0.

8、1nm时，隧道电流 改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。bVtI211eVnm25.10tId(3)隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 dVIbtexp 隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。隧道电流随距离d的变化曲线(3)隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 (4)压电敏感原理压电敏感原理 压电效应压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。 逆压电效应：逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。(4)压电敏感

9、原理压电敏感原理压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿轴在材料表面产生的电荷与沿j轴轴所加的力所加的力F的关系的关系AdFdQijjijAFdVAQCQVrojxijiroX得出两金属板间的电压差(4)压电敏感原理压电敏感原理(5)谐振式敏感原理谐振式敏感原理 当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是/n1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。 对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。 这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感

10、器设计中被利用。 Howe1987提出了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论 dxxbhYdxdxxdYFdxdxxYdEILLLn0210021221221 .)(21)(2)(2y(x,t)满足0),(),(22442ttxyxtxy其中 /EI是梁单位长度的质量 (5)谐振式敏感原理谐振式敏感原理(6)热对流式敏感原理热对流式敏感原理 向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。TJcPQPmmQm压电材料aCfVoma电极解调 Voma硅尖加热电阻热敏电阻VVVoa气腔传感器类型测量范围精度频响

11、线性度信号处理电路结构工艺技术成熟性压阻式大中高较好简单电桥电路简单好电容式小高中较好高灵敏度的开关电容或电桥电路复杂差谐振式小高中较好宽频带闭环谐振回路复杂差压电式大低高较好电荷放大器简单好隧道式小高高较差高灵敏度电流检测电路复杂差热对流式大中低一般热敏电阻电桥简单差各种敏感原理特点比较各种敏感原理的优缺点优点缺点静电敏感材料简单需要较大的器件尺寸以得到足够大的电容较低的工作电流与工作电压信号读出电路复杂响应速度快对微粒与湿度敏感热敏感材料简单相对较大的功耗省去了可动部件相对静电敏感响应速度较慢压阻敏感高灵敏度需要硅掺杂工艺以获取高性能的压敏电阻材料简单（金属应变计）对环境温度变化敏感压电敏

12、感电信号自产生能力，无需外加电源材料生长和制造工艺流程复杂，不能在高温条件下工作微传感器的实例微传感器的实例(1)力学力学微加速度传感器微陀螺仪微压力传感器微麦克风微加速度传感器微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击分类分类压阻式微加速度计电容式微加速度计压电式微加速度计隧道电流式微加速度计压阻压阻式式微加速度计 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222挠度应力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一阶固有频率3322dMKbabaMKc阻尼比压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线第一

13、个微加速度计的剖面结构示意图梁基座基座东南大学研制的压阻式大加速度计，在同一块芯片上设计了两种结构传感器单悬臂梁和双悬臂梁结构单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计东南大学压阻式微加速度计样品SEM（扫描电镜）照片美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计电容式电容式悬浮支架 加速度固定支架导电电极衬底质量块a)垂直敏感电容微加速度计结构固定支点加速度悬浮支架质量块感应叉指b) 水平敏感电容微加速度计结构电容式加速度计的不同敏感电容1) 平行板电容式微加速度计平行板电容式微加速度计 “三明治”结构电容式微加速度计结构硅玻璃玻璃硅硅 平行板结构电容平行板结构电容式微加速度计虽然式微加速度计虽然

14、具有较高的灵敏度具有较高的灵敏度，但是其制作需要，但是其制作需要腐蚀、组装、键合腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程等多种工艺，过程复杂，无法与硅平复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以面工艺兼容，难以实现批量化、低成实现批量化、低成本生产。本生产。 2) 梳状电容式微加速度计梳状电容式微加速度计 挠性梁定齿基底位移齿立柱敏感质量C1C2 梳状结构梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构叉指结构，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。 隧道电流式隧道电流式 隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭

15、摆轴式等几种结构 悬臂梁隧道针尖悬臂梁式隧道效应微加速度计检测质量电极扭转铰链检测质量可变电极挤压膜阻尼孔氮化层悬臂梁隧道针尖Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计 压电式微加速度计压电式微加速度计 压电式微加速度计压电式微加速度计具有测量范围宽、启具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有在惯性导航系统中有着广泛的应用。着广泛的应用。 敏感轴方向压电晶体壳体敏感质量压电式微加速度计原理示意图m输出源极传感电容比较电容悬臂梁氧化锌FET放大器Vdd压电式微加速度计的结构焊盘根切P

16、阱电阻微陀螺仪微陀螺仪n利用振动质量块被基座(仪表壳体)带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。 线驱动式微陀螺仪线驱动式微陀螺仪 角驱动式微陀螺仪角驱动式微陀螺仪 线振动(音叉式)微陀螺仪 角振动式微陀螺仪 微压力传感器微压力传感器压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器 具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感器 压阻式压阻式硅薄膜焊盘P型扩散压阻金属导体N型外延层P型衬底玻璃衬底腐蚀腔压阻式微压力传感器结构氮化硅多晶硅

17、环境应力径向应力压敏电阻参考压力外加压力 压阻式绝对压力传感器电容式电容式 这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成 东京大学接触电容式压力传感器结构薄膜硅硅薄膜上键合点上键合点衬底上键合点绝缘层电极玻璃衬底东京大学接触电容式压力传感器 谐振式谐振式 在梁和偏转电极之间施加很小的微伏级的电压信号就可使梁共振，由梁上的压敏电阻提供反馈。施加在下层晶片薄膜上的压力增加了共振梁的张力，就象调紧吉他弦一样，这就增加了它的共振频率。 微型麦克风微型麦克风 微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高

18、，频带宽。 瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风，利用体硅工艺制作，重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极。清华微电子所研制的微型克风，表面工艺与体硅工艺结合制作，在单片硅片上实现了主要结构，采用纹膜结构提高灵敏度。 微传感器的实例微传感器的实例(2)光学光学光学传感器的原理光学传感器的原理 电子吸收光子，从而向高能级跃迁。电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型：能级跃迁的类型： 1）物体从价带向导带跃迁）物体从价带向导带跃迁光伏效应光伏效应 2）物体从导带向价带跃迁）物体从导带向价带跃迁光电效应光电效应 3）向稳定能级的跃迁）向稳定能级的跃迁双折射，克耳与光电效应双折射，克耳与光

19、电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系 列显著能级、类似氢的分子）。列显著能级、类似氢的分子）。当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为就有光电子发射，称为外光电效应外光电效应。l 利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。倍增管等。n当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的

20、现象称为内内光电导效应光电导效应。前者称为光电导效应光电导效应，后者称为伏伏打效应打效应。l利用半导体光电导效应可制成光敏电阻 其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化。u光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。u微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。 一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。 图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成 图中的光电子管由p、n和p掺杂层组成。入射的光子能量可以被转换成从这些器件中输出的电流。 热电偶是测量热的最常用的传感器工作原理：

21、依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，此电动势在两个导线的交节点（称为节点）被加热的情况下产生。热电偶传感器热电偶传感器微传感器的实例微传感器的实例(3)热学热学热电偶 在热电偶电路中另外加一个节点，并且使其温度不同于其他节点的温度，这样就可以从电路中引入一个温度梯度。热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。微热电堆是小型化热传感更理想的解决方案。Choi和Wise在1986年研制的微热电堆热双层片传感器 对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。21图 热双金属片弯曲（ ）热双层片由在纵向上连在

22、一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。它们有相同的长度，但热膨胀系数（CTE)不同( ).当温度均匀变化T时，两层的长度变化不一样。梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。横向的梁弯曲由此产生。许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。21静电执行热双层片执行优点低频时低功耗较大的运动范围很快的响应速度同等位移下较小的覆盖面积缺点较小的运动范围因电流产生欧姆热，工作效率较低需要大的面积和覆盖区以产生较大的力和位移因

23、时间常数受制于加热和散热，响应速度较慢静电和热双层片执行的特点微型磁强计微型磁强计定义：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。 微传感器的实例微传感器的实例(4)电磁电磁微型磁通门式磁强计磁通门式磁强计由绕向相反的一对激励线圈和检测线圈组成。磁芯工作在饱和状态。当被测磁场为零时，两个磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在测量线圈中无电压产生。当被测磁场不为零时，在测量线圈产生感应电势。德国于1995年研制的微型磁通门磁强计，利用CMOS工艺制作线圈。尺寸为1mm1mm1um，灵敏度为 9.2mV/uT 微型磁

24、通门式磁强计例（1）日本于1994年研制的三维螺线管线圈，尺寸为4.9mm1mm4m，灵敏度达到2700V/T，分辨率达到10-7T微型磁通门式磁强计例（2）机械式微型磁强计机械式微型磁强计布有线圈或永磁体的微梁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。 美国UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撑着一线圈，线圈通上交变电流，在Lorentz作用下梁发生振动，利用压敏电阻测量其振幅。分辨率为10-8T，Q为10。谐振式微型磁强计例（谐振式微型磁强计例（1） 表面工艺制作，叉指电极电容检测真空封装：0.76Torr，灵敏度：900 00

25、0V/AT 谐振式微型磁强计例（谐振式微型磁强计例（2） B Fz 驱动电极 隧道针尖 I 电极 氮化硅薄膜 线圈 美国JPL于1996年研制，用于搭载在小卫星上，测量地球磁场。分辨率：2.8T/Hz1/2 ，驱动电压：120V，尺寸：1cm1cm0.6cm隧道效应磁强计例隧道效应磁强计例微型磁强计的应用微型磁强计的应用安全：安全检测、交通车辆检测医疗：核磁共振仪器、导管定位测量工业：机器人位置测量、转速编码器国防：探雷、导航、战场侦察其它：地质勘探微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。在生物医学中，常用的两类传感器是： (1)生物医学传感器 (2)生物传感器 微传感器的实例微传感器

26、的实例(5)生物医学生物医学 生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。生物医学传感器生物医学传感器生物医学传感器实例生物医学传感器实例 血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应： 葡萄糖O2 葡萄糖酸内酯酶+H2O2 反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。生物传感器生物传感器 生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些分子

27、包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。这些生物分子附着在传感元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感器的输出信号。 化学传感器用来检测特定的化合物。工作原理：很多物质对化学作用都很敏感。比如，很多金属长时间暴露在空气中都有被氧化的危险。金属表面显著的氧化层能改变材料的性能，例如金属的电阻。这些自然现象就是设计和发展微化学传感器所依据的原理。微传感器的实例微传感器的实例(6)化学化学材料材料对特定化学物质的敏感性对特定化学物质的敏感性是很多化学传感器的基本原理。 有机聚合物和嵌入的金属植入物一起使用。当这些聚合物暴露在某种气体下时，可以使金属的电导发生变化。例如，一种特殊的聚合物苯二甲

28、蓝和铜一起来检测氨和二氧化氮气体。化学电阻传感器化学电阻传感器 某些聚合物可以用作电容的电介质材料。当它们暴露在某种气体中时，可以使材料的介电常数发生变化，从而改变金属电极间的电容。比如用多乙炔PPA来检测如CO, CO2, N2 。化学电容传感器化学电容传感器 有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿度的改变）。我们可以通过测量这种材料的尺寸变化度的改变）。我们可以通过测量这种材料的尺寸变化来检测这种化学物质。来检测这种化学物质。化学机械传感器化学机械传感器 工作原理和化学电阻式传感器类似。有些半导工作原理和化学电阻式传感器类似。有些半导体金属，如体金属，如SnOSnO2 2，当吸收了某种气体后可以改变自身，当吸收了某种气体后可以改变自身的电阻。的电阻。金属氧化物气体传感器金属氧化物气体传感器微型触觉传感器微型触觉传感器 触觉传感器其敏感元触觉传感器其敏感元件直接与固体接触。件直接与固体接触。荷兰荷兰DelftDelft大学研制的大学研制的三维电容式触觉传感三维电容式触觉传感器。器。 微传感器的