现代传感器技术基础与应用

第八章微传感器

微传感器的概念微传感器的分类基本敏感原理介绍微传感器的实例微传感器的应用本章主要内容微传感器的概念微传感器：基于MEMS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。微传感器的概念微传感器的概念微传感器的技术指标：量程：测量范围上限值和下限值的代数差。灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。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。零轴稳定性重复性：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。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。微传感器的概念对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即。非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出--输入特性为直线。灵敏度线性度传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出—输入特性是线性的，它具有以下优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点就可以确定其余各点。微传感器的概念（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；（4）避免了非线性补偿环节。实际上许多传感器的输出—输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般用多项式表示输出—输入特性。附例：一个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：M5mm线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC典型值：24VDC温度范围：-40～+120℃壳绝缘电阻：＞Ω安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm按传感机理分

压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流按物理参数分力（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(1)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化的效应称为压阻效应。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阻值发生变化微传感器的敏感原理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

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。

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其中主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数P型压敏电阻的变化率为N型压敏电阻的变化率为压阻才式传都感器迅输出佣信号匠的检妻测一尾般需悄要采袖用惠纸斯通古电桥惠斯顿电桥连接图S+S2-S1-O-O+输出映电压电容卸式微样传感零器的省基本即结构(2较)电容甚敏感胃原理利用堂可变岸电容韵器作希为传羊感元湾件，辩将作租用于蒙传感交元件饮上的引不同龄物理神量的良变化妨转换罚为电湾容值耻的变薪化。间隙纺变化累型：棒改变富两极库板间革隙δ面积猫变化握型：返改变悉形成险电容耍的有呈效面丝式积A介质押变化找型：滨改变刑两极敏间介吗质的币介电印常数ε平行慨板电剑容器歪的电靠容为间隙督变化也型电哈容式喉微传冠感器利用惑泰勒厚级数改展开根，由枪麦克呆劳林爹公式详可得略除决高阶岭无穷袭小项马，得这时侦传感陪器的转灵敏德度和博非线签性误在差分躬别为采用蔽差动礼电容粘结构谜可以该大大隔减小欣传感所器输杏出的耳非线穗性：(3糠)隧道群电流欺敏感闹原理在距罢离十垃分接跌近的鞠隧道害探针鸟与电屡极之勤间加救一个兔偏置眯电压怖，当籍针尖挡和电饰极之架间的救距离刘接近炮纳米梯量级恒时，清电子沾就会满穿过踪蝶两者邻之间棕的势咱垒，里形成冻隧道脑电流阁。隧道电流质量块隧道探针输入感应力方向膜隧道电流式微传感器的基本结构为直绩流驱准动电倡压，化单位腐为V；画为隧相道电梢流，际单位为A；页为常厚数，破等于现；坏为有欧效隧道势柜垒高起度，哲单位纺为eV；态为隧袜道电般极间泻距，植单位廉为nm。在宅标准野情况喘下(0亩.5eV，1n剂m)，隧遭道电钱极间醋距拣变猜化0.宁1n述m时，手隧道避电流工改变2倍。致利用宝这个廊原理匀，可节以设咐计各乖种微拢传感阁器。∝隧道具电流拌式微娇传感肠器是默一种杠高灵杏敏度榜的微绍传感矩器，羡具有锋噪声验小、笔温度教系数蜜小以胆及动搬态性厌能好棋等特男点。隧道扁电流梳随距障离d的变共化曲晌线(4咽)压电是敏感攀原理压电游效应:某些佛物质王在沿怕一定鹅方向拜受到份压力渐或拉知力作史用而蝴发生在变形熊时，退其两潜个表拜面上停会产壳生极件性相条反的剑电荷芬；若波将外浴力去丈掉时孕，又继重新归回到元不带根电的床状态众。逆压铸电效买应：在压请电材溉料两往端施它加一帐定的厅电压坊，材氏料会苏表现像出一牧定的喊形变偶（伸吊长或疯缩短馋）。压电最材料渐的特杰性常昏常用笼电荷叹灵敏心度系网数来过表示电荷露灵敏岛度系咬数：苍沿i轴在滚材料揪表面舍产生阀的电录荷与塌沿j轴所痒加的窜力F的关危系得出舅两金格属板晃间的馋电压费差(5仆)谐振女式敏欲感原桨理当加阀速度杯计连旱接的皱外壳间的振莲动频琴率接气近器盛件的肌固有搬频率足时，滴共振像就会则发生收；也来就是β＝ω/汉ωn→1万.0。检偿测质梁量在勿这个狮频率蔬下振目幅达乌到峰坡值。纺对微这加速纽奉度计妨而言封，器匹件在锁这一困频率犹提供嘴了最厦灵敏普的输瞧出。腿这种腾振动流测量酱器件幕在共损振频吵率处于的峰绝值灵胃敏度律的优挎势已赠经在踪蝶微传纪感器订设计说中被庄利用巴。Ho在we到[1宴98馒7]发展揪了一毙个分串析承货受纵译向力治的振虚动梁消在模满态1时的舞固有崭频率励的理汁论y(x鼻,t)满足其中是梁塌单位育长度佣的质鲁量(6飘)热对跪流式客敏感扬原理向加掘热元宇件施墓加一检定的慨热功棒率，纷加热缠元件宰周围塑形成献温度镜场，滔流体毒流动锄使温次度场斗发生捕变化惜，分稀别位决于上才下游碰的检袜测元比件之搭间就嗓会产废生温吵差。被测过流体仿的质突流量饱与加夫热件淋上下汉游端呀的温神度差T之间晶的关雪系为励：P:加热刘功率点，J：热商功当丽量cp：被雀测流阔体的武定压取比热传感器类型测量范围精度频响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滤敏感庆原理毒特点寨比较各种卷敏感堪原理掌的优注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梨感器曲的实田例(1脸)——力学微加牢速度载传感案器微陀柳螺仪微压值力传春感器微麦译克风微加恐速度猪传感阿器主要暖用于来测量浴物体泉运动范过程由中的纯加速漫度：蠢过载鸭、振寻动和旬冲击压阻花式、险电容纵式、舍压电溉式、轨隧道虫电流肝式微裂加速阻度计咏。压阻星式挠度应力一阶确固有蚂频率阻尼吨比压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线微加纤速度锄计的刷剖面沉结构发示意持图单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计压阻式微加速度计样品SEM照片电容碍式悬浮支架加速度固定支架导电电极衬底质量块)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)平行虽板电鞠容式律微加表速度锡计“三明治”结构电容式微加速度计结构硅玻璃玻璃硅硅平行寻板结笋构电例容式肢微加父速度蜡计虽窑然具尿有较犁高的招灵敏艳度，涂但是隶其制伤作需毕要腐适蚀、耻组装猾、键砍合等角多种她工艺困，过眠程复买杂，植无法宪与硅且平面笛工艺思兼容发，难膛以实郊现批绘量化取、低侧成本强生产必。2)梳状设电容姐式微善加速漆度计挠性梁定齿基底位移定齿立柱敏感质量C1C2梳状陈结构的电响容式估微加抗速度责计一柿般采树用叉指厉结构，属选于硅瓜材料肆线加傻速度卡计，洪其结艇构加简工工素艺与即集成铃电路快加工道工艺形兼容阁性好旋，可型以将茎敏感沾元件叨和信握号调早理电们路用脸相同女的工锐艺在汁同一父硅片傅上完笑成，事实现晴整体却集成顾。隧道献电流闲式隧道盾式微谣加速艺度计痰，通肝常有狸悬臂馒梁式显、多圆梁支备撑式刷和扭嘉摆轴叛式等铺几种峡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St递an付fo般rd大学降的双块悬臂疲梁式快隧道缎效应宇加速耕度计压电讽式微骑加速穿度计压电妄式微椅加速为度计垮具有闭测量奖范围坦宽、谱启动益快、毯功耗食低、扔直流望供电淘、抗暖冲击舞振动以、可敬靠性娘高等挪显著首优点鸡，在所惯性胀导航吧系统暮中有芒着广粗泛的朱应用尺。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阱电阻微陀脾螺仪利用到振动需质量艺块被叨基座(仪表闹壳体)带动厘旋转夫时的樱哥氏愤效应暮来敏点感角娃速度眯，具店有成失本低垄、体让积小撒、重镰量轻交、可熟靠性包高、台可数干字化况及可继重复写大批激量生阀产等祸优点躲。线驱录动式损微陀卡螺仪角驱质动式委微陀询螺仪线振抵动(音叉孟式)微陀丝式螺仪角振峰动式咐微陀拥螺仪微压福力传拍感器压力茫传感膛器是老测量喘压力月的传栏感器毕件，步是使厕用极剪为广盾泛的笼一种累传感脑器具有浸体积合小、院重量久轻、刮灵敏统度高挨、精傲度高样，动疤态特聚性好民，耐写腐蚀玻、零毒位小攻等优辆点常见捉的微湖压力侨传感耗器有跌三种留：压侵阻式胃、电羞容式牧和压冷电式桨微压静力传拒感器压阻小式硅薄膜焊盘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眠式这种凉类型