MEMS微傳感器在汽車中的應(yīng)用

1、 微傳感器微傳感器研研12021202班班李竹芳李竹芳n微傳感器的概念微傳感器的概念n微傳感器的分類微傳感器的分類n基本敏感原理介紹基本敏感原理介紹n微傳感器的實例微傳感器的實例主要內(nèi)容主要內(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，能把被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件，通常由敏感元件和傳輸元件組成。MEMS微傳感器原理框圖 微傳感器是今天最廣泛使用的MEMS器件，通常使用集成電路工業(yè)中發(fā)展起來的手段和技術(shù)來制造，比如微金屬版印制技術(shù)、刻蝕技術(shù)等，也采用專門為微傳感器制造開發(fā)的新技術(shù)。微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的技術(shù)指

2、標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：l量程：測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)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最 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試 時所得特性曲線不一致程度。l頻響范圍：在規(guī)定誤差條件下，傳感器可以正常工作 的頻率區(qū)間。附例：附例：一個微加速度傳感器的指標(biāo)一個微加速度傳感器的指標(biāo)靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 安裝諧振點:30kHz 分辨率：0.0002g 抗沖擊：2000g 重量：8mg安裝螺紋：M5 mm 線性：1%

3、橫向靈敏度：5% 典型值：3%輸出阻抗：150 激勵電壓：18-30VDC 典型值：24VDC溫度范圍：-40+120 安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm l按傳感機理分按傳感機理分 壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對流l按物理參數(shù)分按物理參數(shù)分 力（加速度/壓力/聲） 熱（熱電偶/熱阻） 光（光電類） 電磁（磁強計） 化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機械）微傳感器的分類微傳感器的分類(1)壓阻敏感原理壓阻敏感原理 當(dāng)壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。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

4、，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ALRddd1212RLEKRL 12KE E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 1）金屬電阻的改變主要由材料幾何尺寸的變化引起，因此 起主要作用； 2)半導(dǎo)體電阻的改變主要由材料受力后電阻率的變化引起，因此 起主要作用； 3)半導(dǎo)體的靈敏度因子比金屬的高得多，一般在70-170之間。21 E 在正交坐標(biāo)系中，沿任一晶向分布的壓敏電阻，電阻的變化率與應(yīng)力的關(guān)系為stRRst11tt11其中2121212121214412111112nlnmml222122212

5、22144121112t2nnmmll主晶軸坐標(biāo)系下的縱向、橫向及剪切壓阻系數(shù) P型壓敏電阻的變化率為 5103 .668 .71tlttllRRN型壓敏電阻的變化率為 5106 .172 .31tlttllRR壓阻式傳感器輸出信號的檢測一般需要采用惠斯通電橋1R 1R2R 2R3R 3R4R 4R惠斯頓電橋連接圖S+S2- S1-O-O+ioURRU輸出電壓電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu) (2)電容敏感原理電容敏感原理 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

6、常數(shù)平行板電容器的電容為AC0間隙變化型電容式微傳感器11CC利用泰勒級數(shù)展開，由麥克勞林公式可得 nCC21略除高階無窮小項，得2dSdCKCC這時傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為dd100%采用差動電容結(jié)構(gòu)可以大大減小傳感器輸出的非線性：01AC02ACACC2112101212CCCC (3)(3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 (4) (4)壓電敏感原理壓電敏感原理 (5) (5)諧振式敏感原理諧振式敏感原理 (6) (6)熱對流式敏感原理熱對流式敏感原理 在此不一一介紹。傳感器類型測量范圍精度頻響線性度信號處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡單電橋電路簡單好電容式小高中較好

7、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單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測電路復(fù)雜差熱對流式大中低一般熱敏電阻電橋簡單差各種敏感原理特點比較n各種敏感原理的優(yōu)缺點各種敏感原理的優(yōu)缺點優(yōu)點缺點靜電敏感材料簡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讀出電路復(fù)雜響應(yīng)速度快對微粒與濕度敏感熱敏感材料簡單相對較大的功耗省去了可動部件相對靜電敏感響應(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單（金屬應(yīng)變計）對環(huán)境溫度變化敏感壓電敏感電信號自產(chǎn)生能力，無需外加電源材料生長和制造工藝流程復(fù)雜，不能

8、在高溫條件下工作微傳感器的實例微傳感器的實例(1)力學(xué)力學(xué)微加速度傳感器微加速度傳感器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)在此只重點介紹微加速度傳感器。微加速度傳感器微加速度傳感器n主要用于測量物體運動過程中的加速度：過載、振動和沖擊n壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式微加速度計。壓阻式壓阻式 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222撓度應(yīng)力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一階固有頻率3322dMKbabaMKc阻尼比壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線第一個微加速度計的剖面結(jié)構(gòu)示意圖

9、梁基座基座東南大學(xué)研制的壓阻式大加速度計，在同一塊芯片上設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)傳感器單懸臂梁和雙懸臂梁結(jié)構(gòu)單懸臂梁微加速度計雙懸臂梁微加速度計東南大學(xué)壓阻式微加速度計樣品SEM照片美國IC Sensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計電容式電容式懸浮支架 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結(jié)構(gòu)固定支點加速度懸浮支架質(zhì)量塊感應(yīng)叉指b) 水平敏感電容微加速度計結(jié)構(gòu)電容式加速度計的不同敏感電容1) 1) 平行板電容式微加速度計平行板電容式微加速度計 “三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計結(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)電容式微加速度計雖然式微加速度計雖然具有較高的靈敏度具有較高的靈敏度，

10、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，難以實現(xiàn)批量化、低成實現(xiàn)批量化、低成本生產(chǎn)。本生產(chǎn)。 2) 2) 梳狀電容式微加速度計梳狀電容式微加速度計 撓性梁定齒基底位移位移定齒定齒立柱敏感質(zhì)量C1C2隧道電流式隧道電流式 隧道式微加速度計，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)微加速度計檢測質(zhì)量電極扭轉(zhuǎn)鉸鏈檢測質(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 壓電式微加速度計壓電式微加速度計 壓電式微

11、加速度計具有測量范圍寬、啟動快、功耗低、直流供電、抗沖擊振動、可靠性高等顯著優(yōu)點，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質(zhì)量壓電式微加速度計原理示意圖m輸出源極傳感電容比較電容懸臂梁氧化鋅FET放大器Vdd壓電式微加速度計的結(jié)構(gòu)焊盤根切P阱電阻微傳感器的實例微傳感器的實例(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 電子吸收光子，從而向高能級躍遷。電子吸收光子，從而向高能級躍遷。能級躍遷的類型： 1）物體從價帶向?qū)кS遷光伏效應(yīng) 2）物體從導(dǎo)帶向價帶躍遷光電效應(yīng) 3）向穩(wěn)定能級的躍遷雙折射，克耳與光電效應(yīng) 4）躍遷到中間能級態(tài)和返回到基態(tài) 5）其它類似激子的結(jié)構(gòu)（電子和

12、空穴形成了具有一系 列顯著能級、類似氫的分子）。n當(dāng)入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功時，就有光電子發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。l 利用這種效應(yīng)制成的傳感器有真空光電管、光電倍增管等。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)生光電動勢的現(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)。l利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)可制成光敏電阻光敏電阻 其基本原理是輻射時半導(dǎo)體材料中的電荷載流子（包括電子和空穴）的增殖使其電阻率發(fā)生變化。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)可以測量出光的強度。具有強光電效應(yīng)的固態(tài)材料可用作這種傳感材料。 一種特殊的