新型传感器原理及应用

新型传感器原理及应用第1页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器一．MEMS微机电系统与微型传感器微机电系统(Micro-Electro-Mechanical

Systems，简称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。第2页，课件共21页，创作于2023年2月通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其他能量范畴如磁、热等。第3页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器1.MEMS的特点微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。第4页，课件共21页，创作于2023年2月多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。第5页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器2.MEMS技术发展概况1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主RichardFeynman这样来描述MEMS技术：“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”三年以后，硅微力传感器问世。1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅60μm-120μm的静电电机。1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界引起轰动。第6页，课件共21页，创作于2023年2月1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。此后，众多发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进MEMS技术发展。MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。一次性血压计是最早的MEMS产品，目前国际上每年都有几千万只的用量。第7页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。第8页，课件共21页，创作于2023年2月近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件(DMD)已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。第9页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器我国20世纪80年代末开始MEMS的研究，到90年代末已有40多个单位的50多个研究小组在新原理器件、通用微器件、新工艺和测试技术，以及初步应用等方面取得显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件和系统、生物传感器、微机器人和硅及非硅加工工艺几个研究方向。但同发达国家相比，我们还有差距。这在MEMS的产业化方面表现得尤为突出。因此，跟踪国外的先进技术，选好突破口成为我国MEMS技术发展的当务之急。第10页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器二．微型压力传感器对压力传感器而言，常借助弹性元件将被测力转换成机械变形，再输入给传感器元件得到输出电信号。硅微型压力传感器中的弹性元件都是膜片，硅膜具有小尺寸、高弹性模量和低密度的特点，从而具有高的固有频率。弹性膜片一般都覆盖在一个空腔结构上，腔体中的参考压力作用在膜片内表面上，被测压力施加在膜片外表面上。在压差作用下，膜片发生变形。根据工作原理，硅微型压力传感器可分为压阻式、电容式、谐振式等。第11页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器图微型压力传感器常见空腔形式第12页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器1.压阻式微型压力传感器作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压力传感器出现于20世纪60年代，它也是第一类能进行批量生产的MEMS传感器。目前，硅压阻式压力传感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油管的压力测量，以控制注油量并淘汰了传统的汽化器，用作一次性的生理压力传感器，以避免交叉感染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等。第13页，课件共21页，创作于2023年2月压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。优点:制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。主要问题:对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。第14页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器1983年丰田公司率先开发出带有片上电路的微型压力传感器。压阻式传感器的工作原理可总结如下：①压敏电阻与压力敏感膜片集成为一体；②压力作用下，敏感膜片发生变形；③压敏电阻值的变化对应膜片变形，从而间接反映出被测压力值；④通过电桥电路对压敏电阻的变化值进行测量。第15页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器图压阻式微型压力传感器的主体结构压敏电阻沉积在弹性膜片表面上，电阻与膜片之间有一层SiO2作为隔离层。弹性膜片的典型厚度为数十微米，是从硅片背面刻蚀出来的。在线性工作范围内，压敏电阻感受膜片边缘的应变，输出一个与被测压力成正比的电信号。由于是从硅片背面进行硅膜刻蚀的，所以有可能与标准IC工艺相结合，将传感部分和处理电路做成一体。第16页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器2.电容式微型压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。第17页，课件共21页，创作于2023年2月电容式微压力传感器由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm×6mm。第18页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器三．微型加速度计微型加速度计和微机械陀螺都属于惯性传感器，均已大量产品化。在汽车上，微型加速度传感器用来启动包括气囊在内的安全系统或用于自动刹车等，以提高汽车的安全稳定性和切断电路。此外，微型加速度计还用于一些可发挥其低成本和小尺寸特点的场合，例如生物医学领域的活动监控，便携式摄像机的图像稳定性控制等。第19页，课件共21页，创作于2023年2月微型加速度计通常由弹性元件(如弹性梁)将惯性质量块悬接在参考支架上。加速度引起参考支架与惯性质量块间发生相对位移，通过压敏电阻或可变电容器进行应变或位移测量，从而得到加速度值。第20页，课件共21页，创作于2023年2月微传感器压阻式微型加速度计最早的MEMS加速度计是美国斯坦