微傳感器和微執(zhí)行器第部分模板

1、會(huì)計(jì)學(xué)1微傳感器和微執(zhí)行器第部分模板微傳感器和微執(zhí)行器第部分模板本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器：基于微傳感器：基于MEMS工藝的工藝的，能把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件，通常由敏感元件和傳輸元件組成。MEMS微傳感器原理框圖微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：l量程：測(cè)量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。l靈敏度：傳感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對(duì)輸入變化的比值l線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。l分辨率：指在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)可能檢測(cè)出的被測(cè)量的最 小變化量。l重復(fù)性：傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測(cè)試 時(shí)所得特性曲線不一致程度。l頻響范圍：在

2、規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作 的頻率區(qū)間。靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 安裝諧振點(diǎn):30kHz 分辨率：0.0002g 抗沖擊：2000g 重量：8mg安裝螺紋：M5 mm 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3%輸出阻抗：150 激勵(lì)電壓：18-30VDC 典型值：24VDC溫度范圍：-40+120 殼絕緣電阻： 安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm 微傳感器的分類微傳感器的分類在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應(yīng)力分布，應(yīng)力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化微傳感器的敏感原理微傳

3、感器的敏感原理ALRdKELLRR21d21d21 EKE電阻的基本關(guān)系式電阻率的變化率電阻的變化率其中，為壓阻系數(shù)壓阻變化的具體過程壓阻變化的具體過程21 E壓阻式傳感器輸出信號(hào)的檢測(cè)一般需要采用惠斯通電橋輸出電壓電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu) 利用可變電容器作為傳感元件，將作用于傳感元件上的不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化。 間隙變化型：改變兩極板間隙面積變化型：改變形成電容的有效面積A介質(zhì)變化型：改變兩極間介質(zhì)的介電常數(shù)平行板電容器的電容為AC011CC利用泰勒級(jí)數(shù)展開，由麥克勞林公式可得 nCC212dSdCKCC這時(shí)傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為dd100%01AC02ACACC211

4、2101212CCCC隧道電流質(zhì)量塊隧道探針輸入感應(yīng)力方向膜隧道電流式微傳感器的基本結(jié)構(gòu)bVtI211eVnm25.10dtIdtIdVbexp 隧道電流式微傳感器是一種高靈敏度的微傳感器，具有噪聲小、溫度系數(shù)小以及動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)。 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng): :某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷；若將外力去掉時(shí)，又重新回到不帶電的狀態(tài)。 逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：在壓電材料兩端施加一定的電壓，材料會(huì)表現(xiàn)出一定的形變（伸長(zhǎng)或縮短）。 AdFdQijjij得出兩金屬板間的電壓差A(yù)FdVAQCQVrojxijiroXdxxbhYdxdxxdYFdxdxxY

5、dEILLLn0210021221221 .)(21)(2)(2TJcPQPmmQmaVVVo壓敏電阻m壓電材料aCfVoma電極解調(diào) Voma硅尖加熱電阻熱敏電阻VVVoa氣腔傳感器類型測(cè)量范圍精度頻響線性度信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡(jiǎn)單電橋電路簡(jiǎn)單好電容式小高中較好高靈敏度的開關(guān)電容或電橋電路復(fù)雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環(huán)諧振回路復(fù)雜差壓電式大低高較好電荷放大器簡(jiǎn)單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測(cè)電路復(fù)雜差熱對(duì)流式大中低一般熱敏電阻電橋簡(jiǎn)單差各種敏感原理特點(diǎn)比較優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜電敏感材料簡(jiǎn)單需要較大的器件尺寸以得到足夠大的電容較低的工作電流與工作電壓信號(hào)讀出電路復(fù)雜響應(yīng)速

6、度快對(duì)微粒與濕度敏感熱敏感材料簡(jiǎn)單相對(duì)較大的功耗省去了可動(dòng)部件相對(duì)靜電敏感響應(yīng)速度較慢壓阻敏感高靈敏度需要硅摻雜工藝以獲取高性能的壓敏電阻材料簡(jiǎn)單（金屬應(yīng)變計(jì)）對(duì)環(huán)境溫度變化敏感壓電敏感電信號(hào)自產(chǎn)生能力，無需外加電源材料生長(zhǎng)和制造工藝流程復(fù)雜，不能在高溫條件下工作微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(1)力學(xué)力學(xué)微陀螺儀微陀螺儀微壓力傳感器微壓力傳感器微麥克風(fēng)微麥克風(fēng)壓阻式壓阻式 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222撓度應(yīng)力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一階固有頻率3322dMKbabaMKc阻尼比壓敏電阻

7、空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線第一個(gè)微加速度計(jì)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖美國(guó)IC Sensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計(jì)懸浮支架 加速度固定支架導(dǎo)電電極襯底質(zhì)量塊a)垂直敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)固定支點(diǎn)加速度懸浮支架質(zhì)量塊感應(yīng)叉指b) 水平敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)的不同敏感電容“三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)硅玻璃玻璃硅硅 平行板結(jié)構(gòu)電容平行板結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)雖然式微加速度計(jì)雖然具有較高的靈敏度具有較高的靈敏度，但是其制作需要，但是其制作需要腐蝕、組裝、鍵合腐蝕、組裝、鍵合等多種工藝，過程等多種工藝，過程復(fù)雜，無法與硅平復(fù)雜，無法與硅平面工藝兼容，難以面工藝兼容，難以實(shí)現(xiàn)批量化、低成實(shí)現(xiàn)批量

8、化、低成本生產(chǎn)。本生產(chǎn)。 撓性梁定齒基底位移位移定齒定齒立柱敏感質(zhì)量C1C2 梳狀結(jié)構(gòu)梳狀結(jié)構(gòu)的電容式微加速度計(jì)一般采用叉指結(jié)構(gòu)叉指結(jié)構(gòu)，屬于硅材料線加速度計(jì)，其結(jié)構(gòu)加工工藝與集成電路加工工藝兼容性好，可以將敏感元件和信號(hào)調(diào)理電路用相同的工藝在同一硅片上完成，實(shí)現(xiàn)整體集成。 隧道式微加速度計(jì)，通常有懸臂梁式、多梁支撐式和扭擺軸式等幾種結(jié)構(gòu) 懸臂梁隧道針尖懸臂梁式隧道效應(yīng)微加速度計(jì)檢測(cè)質(zhì)量電極扭轉(zhuǎn)鉸鏈檢測(cè)質(zhì)量可變電極擠壓膜阻尼孔氮化層懸臂梁隧道針尖Stanford大學(xué)的雙懸臂梁式隧道效應(yīng)加速度計(jì) 敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質(zhì)量壓電式微加速度計(jì)原理示意圖mn利用振動(dòng)質(zhì)量塊被基座(儀表殼體)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)

9、時(shí)的哥氏效應(yīng)來敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數(shù)字化及可重復(fù)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 線驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀線驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀 角驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀角驅(qū)動(dòng)式微陀螺儀 線振動(dòng)(音叉式)微陀螺儀 硅薄膜焊盤P型擴(kuò)散壓阻金屬導(dǎo)體N型外延層P型襯底玻璃襯底腐蝕腔壓阻式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)氮化硅多晶硅環(huán)境應(yīng)力徑向應(yīng)力壓敏電阻參考?jí)毫ν饧訅毫?壓阻式絕對(duì)壓力傳感器東京大學(xué)接觸電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu)薄膜硅硅薄膜上鍵合點(diǎn)上鍵合點(diǎn)襯底上鍵合點(diǎn)絕緣層電極玻璃襯底 在梁和偏轉(zhuǎn)電極之間施加很小的微伏級(jí)的電壓信號(hào)就可使梁共振，由梁上的壓敏電阻提供反饋。施加在下層晶片薄膜上的壓力增加了共振梁的張力，就象調(diào)緊吉他弦一樣，這就增

10、加了它的共振頻率。 瑞士電子與微技術(shù)公司所制作的電容式微麥克風(fēng)，利用體硅工藝制作，重?fù)诫s自停止形成敏感膜和有孔固定電極。微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(2)光學(xué)光學(xué)光學(xué)傳感器的原理光學(xué)傳感器的原理n當(dāng)物體受光照射后，其內(nèi)部原子釋放出電子，但這些電子并不逸出物體表面仍留在內(nèi)部，使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，后者稱為伏伏打效應(yīng)打效應(yīng)。u光中的光子和固體中吸收光的電子的相互作用原理在量子物理學(xué)中已經(jīng)比較完善。u微光學(xué)傳感器已經(jīng)可以測(cè)量出光的強(qiáng)度。具有強(qiáng)光電效應(yīng)的固態(tài)材料可用作這種傳感材料。 圖中的光電二極管由p型和n型摻雜的半導(dǎo)體

11、層組成 圖中的光電子管由p、n和p摻雜層組成。入射的光子能量可以被轉(zhuǎn)換成從這些器件中輸出的電流。微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(3)熱學(xué)熱學(xué)熱電偶21圖 熱雙金屬片彎曲（ ）21微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(4)電磁電磁微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(5)生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) 生物醫(yī)學(xué)傳感器可以分成用來測(cè)量生物學(xué)物質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)儀器和用以醫(yī)學(xué)診斷為目的的儀器。它們通常只需要小量的樣本，因而可以大大加快分析速度而且?guī)缀鯖]有死區(qū)。微傳感器的實(shí)例微傳感器的實(shí)例(6)化學(xué)化學(xué)化學(xué)電阻傳感器化學(xué)電阻傳感器化學(xué)電容傳感器化學(xué)電容傳感器在外力的作用下，結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應(yīng)力分布，應(yīng)力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化微傳感器的敏感原理微傳感器的敏感原理傳感器類型測(cè)量范圍精度頻響線性度信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡(jiǎn)單電橋電路簡(jiǎn)單好電容式小高中較好高靈敏度的開關(guān)電容或電橋電路復(fù)雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環(huán)諧振回路復(fù)雜差壓電式大低高較好電荷放大器簡(jiǎn)單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測(cè)電路復(fù)雜差熱對(duì)流式大中低一般熱敏電阻電橋簡(jiǎn)單差各種敏感原理特點(diǎn)比較美國(guó)IC Sensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計(jì)隧道式微加速度