机械微传感器

机械(jīxiè)微传感器

刘星精品资料传感器：能感受(gǎnshòu)规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件。微传感器：就其测量原理、信息与能量传输方式上，与宏观的传感器差异(chāyì)不大，仅是几何尺寸的微型化。传感器物理化学生物……机械……2压力加速度……精品资料3压力(yālì)微传感器敏感元件（感压）：硅膜片敏感机理：压阻效应、电容效应、谐振效应。压电效应：能将某一方向的弹性形变与该方向或不同方向上的位移电荷/电场强度通过压电系数(xìshù)联系。压阻效应：材料受到外加应力时其体电阻率发生变化的材料性能。电容效应：C=εS/d谐振效应：膜片的谐振频率随压力变化而改变的函数关系确定被测压力。精品资料4（a）原理：在膜片上扩散(kuòsàn)电阻，并连成惠斯通电桥。感压过程：当压力作用在膜片时，膜片产生形变，电阻值变化，电桥失衡，失衡量(héngliáng)与被测压力成比例。（a）压阻效应压力微传感器惠斯通电桥原理图缺点：结果随温度变化明显。惠斯顿电桥：由4个压敏电阻组成。当传感器上没有压力时，桥中的所有电阻值都相等。当有外力施加于电桥时，两个相向电阻的阻值将增加，另两个电阻的阻值将减小，增加和减小的阻值彼此相等。精品资料5（b）电容效应(xiàoyìng)压力微传感器（b）原理：沉积在膜片上的金属层形成电容的活动电极，另一电极沉积在衬底上，二者构成(gòuchéng)平行板式电容。

C=εS/d感压过程：当膜片感受到压力作用弯曲时，d改变，引起C变化，其变化量与被测压力相对应，继而得知被测压力。优点：零点漂移小、结构简单、动态响应快、易实现非接触测量；缺点：对于侧面力测量灵敏度差，易受杂散电容干扰。精品资料6电容(diànróng)效应压力微传感器图为根据差动原理设计(shèjì)的硅膜片电容效应压力为传感器的结构剖面图。敏感电容Csen位于感压硅膜片上，参考电容Cref位于压力敏感区之外。感压的方形硅膜片用化学腐蚀法制作在硅芯片上，硅芯片的上、下两侧用静电键合技术分别与硼硅酸玻璃固结，形成有一定间隙的两个空气电容器。当硅膜片感受到压力p作用变形时，导致Csen变化。精品资料7根据(gēnjù)弹性理论板壳计算公式可求（x，y，z）ω

例：计算(jìsuàn)膜中心处的ω(x，y，z）?已知：膜中心处x=0，y=0，ω(x，y，z）变化最大。由上式课得：

其中：a、δ分别为方膜片的边长和厚度。由于硅电容压力传感器是微结构，故a一般很短，常用面积为2mm*2mm。δ视被测压量程来定。入0kpa~100kpa量程，δ设计约20μm，d约1μm精品资料8由微尺寸构成的电容器的电容值也是微量值（一般(yībān)10pF），其该变量ΔC=Csen-Cref就更微小。测量如此微小的电容其测量放大器电路需满足条件:1.高的灵敏度；2.低的漂移(piāoyí)。问题：普通传感器采用的分立设置的电容器和测量电路能否照搬到微传感器呢？分析：显然不能，分立设置方法，其引线和连线的杂散电容就可能有几十个皮法，这样无实际意义。解决方法：将电容器和测量电路尽可能靠近或制作i同一块硅片。这就需用到微加工技术实现，MEMS的优势。精品资料9电容效应压力微传感器采用ΔC=Csen-Cref这种差动结构方案，优点：测量电路对输入的杂散电容和环境温度的变化不敏感，因为这些信号均被作为(zuòwéi)共模信号而被抑制。测量电路原理：电容首先充电，其电荷量与Cref比较(bǐjiào)，二者差值ΔC=Csen-Cref由差动积分器转换为电压，电容-电压转换的灵敏度受电荷累加率控制，电压再经A/D转换为二进制输出，转换序列根据逐次逼近的A/D转换算法得到。电容效应压力微传感器采用开关-电容电路测量电容最合适？（电路由差动积分器、A/D转换器、开关和电容等组成，在时钟信号控制下工作）开关-电容电路测量电容的优势：其工作不受杂散电容的影响，高灵敏度和精度。精品资料10为使板级间感压电容Csen的变化处处相等，实际上常把硅膜片设计成有硬件中心的结构(jiégòu)形式，如右图。电容效应压力微传感器的灵敏度高，适用于低压量程测量，如声压（0.1pa）级信号。在生物、医疗、航天航空、工业过程检测、汽车工业及流体控制等领域应用前景(qiánjǐng)广阔。精品资料11比较硅膜片电阻/电容效应(xiàoyìng)压力微传感器1.电容式的灵敏度是压阻式的10倍以上(yǐshàng)；2.电容式的功耗比压阻式低2个数量级；3.电容式输出的重复性和稳定性明显优于压阻式。原因：压敏电阻的压阻系数随温度变化的改变明显，而电容效应压力微传感器的工作机理则避开了压阻温度效应，故电容效应压力微传感器的输出比压阻效应压力为传感器的输出随温度的变化要小得多。工作机理：物理法则、物性法则精品资料12（c）谐振(xiézhèn)效应压力微传感器（c）原理(yuánlǐ)：由膜片的谐振频率随压力变化而改变的函数关系确定被测压力。谐振效应：闭环模式工作。R：谐振子M：被测量E：激励振子发生谐振的激励器D：振动信号的检测器A：放大调频电路谐振效应压力微传感器原理图感压过程：膜片由电容激励而发生谐振，谐振频率为f0，当膜片受到气体压力作用时，其刚度改变，引起频率增加Δf

,Δf则对应被测压力。优点：性能主要取决自身，测量精度、稳定性及测量分辨力较好。精品资料13加速度微传感器敏感(mǐngǎn)元件：硅梁敏感(mǐngǎn)机理：谐振效应、压阻效应。①谐振(xiézhèn)效应硅梁式加速度微传感器对于微米和亚微米级的加速度检测，利用谐振技术，对质量位置变化的敏感具有足够高的分辨力和灵敏度。工作原理：将被测a转换为载荷，作用于悬挂在硅梁上的敏感质量，导致硅梁产生拉伸或压缩应变，使硅梁的谐振频率发生变化。谐振频率的变化量与被测a成比例，得到a。分辨敏感质量的位移约为5*10-4nm/Hz1/2加速度约为0.1ug/Hz1/2精品资料14图为一种硅悬臂梁式加速度传感器结构组成：塔形敏感质量m悬挂在与其中心轴线平行(píngxíng)且对称的两根支支撑梁的一端；谐振梁用于信信号检测（位于两根支撑梁之间）。制作方法：光刻和腐蚀(fǔshí)悬挂系统会干扰谐振梁的谐振频率？如何提高谐振梁品质因数Q？把谐振梁设计成并行3梁形式；选用反对称相位的3阶模态作为硅梁的谐振模态。精品资料②压阻效应(xiàoyìng)阵列式加速度微传感器测试(cèshì)冲击加速度时，要求测试(cèshì)加速度值大，响应速度快，可靠性高的传感器。由于MEMS的加工技术不断完善，使得一个芯片上制作多个微传感器成为现实。实例：测试105g的阵列式加速度微传感器，采用微传感器阵列版图设计方法。原理：由8个相同的硅悬臂梁组成，在悬臂梁根部扩散电阻，同时将惠斯通电桥扩散在同一芯片上。传感器位置布置图15加工方法：光刻、溅射精品资料16阵列(zhènliè)式加速度微传感器的版图如图分析：