第5章微传感器和微执行器模板

第5章微传感器和微执行器（第1部分）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微执行器的分类基本致动方式介绍微执行器的实例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。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。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E电阻的基本关系式电阻率的变化率电阻的变化率其中，π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。压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥输出电压电容式微传感器的基本结构(2)电容敏感原理利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。间隙变化型：改变两极板间隙δ面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε平行板电容器的电容为间隙变化型电容式微传感器利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得略除高阶无穷小项，得这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：(3)隧道电流敏感原理在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。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流驱动电压，单位为V；为隧道电流，单位为A；为常数，等于；为有效隧道势垒高度，单位为eV；为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5eV，1nm)，隧道电极间距变化0.1nm时，隧道电流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。(4)压电敏感原理压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系得出两金属板间的电压差(5)谐振式敏感原理当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。Howe[1987]发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论(6)热对流式敏感原理向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。被测流体的质流量与加热件上下游端的温度差T之间的关系为：P:加热功率，J：热功当量cp：被测流体的定压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敏感原理特点比较各种敏感原理的优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感器的实例(1)——力学微加速度传感器微陀螺仪微压力传感器微麦克风微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。压阻式EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222挠度应力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221LLsdxxWHydxxEIyw02022''一阶固有频率3322dMKbabaMKc阻尼比压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线第一个微加速度计的剖面结构示意图美国ICSensor公司生产的压阻式加速度计电容式悬浮支架加速度固定支架导电电极衬底质量块a)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)平行板电容式微加速度计“三明治”结构电容式微加速度计结构硅玻璃玻璃硅硅平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。2)梳状电容式微加速度计挠性梁定齿基底位移定齿立柱敏感质量C1C2梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。隧道电流式隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种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Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计压电式微加速度计压电式微加速度计具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有着广泛的应用。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微陀螺仪利用振动质量块被基座(仪表壳体)带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。线驱动式微陀螺仪角驱动式微陀螺仪线振动(音叉式)微陀螺仪角振动式微陀螺仪微压力传感器压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感器压阻式硅薄膜焊盘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式这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成东京大学接触电容式压力传感器结构薄膜硅硅薄膜上键合点上键合点衬底上键合点绝缘层电极玻璃衬底谐振式在梁和偏转电极之间施加很小的微伏级的电压信号就可使梁共振，由梁上的压敏电阻提供反馈。施加在下层晶片薄膜上的压力增加了共振梁的张力，就象调紧吉他弦一样，这就增加了它的共振频率。微型麦克风微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风，利用体硅工艺制作，重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极。微传感器的实例(2)——光学光学传感器的原理电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型：1）物体从价带向导带跃迁——光伏效应2）物体从导带向价带跃迁——光电效应3）向稳定能级的跃迁——双折射，克耳与光电效应4）跃迁到中间能级态和返回到基态5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系列显著能级、类似氢的分子）。当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应。利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏打效应。利用半导体光电导效应可制成光敏电阻其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化。光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后，两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电桥电路中电阻的改变测量出来。一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成图中的光电子管由p－、n－和p－掺杂层组成。入射的光子能量可以被转换成从这些器件中输出的电流。热电偶是测量热的最常用的传感器工作原理：依靠两个不同金属线的末端产生的电动势，此电动势在两个导线的交节点（称为节点）被加热的情况下产生。热电偶传感器微传感器的实例(3)——热学热电偶热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。微热电堆是小型化热传感更理想的解决方案。Choi和Wise在1986年研制的微热电堆热双层片传感器对于传感和执行而言，热双金属片效应是很常用的方法。这种效应可将微结构的温度变化转变为机械梁的横向位移。21图热双金属片弯曲（）21微型磁强计定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：电磁效应式和机械式。微传感器的实例(4)——电磁微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。在生物医学中，常用的两类传感器是：(1)生物医学传感器(2)生物传感器微传感器的实例(5)——生物医学生物医学传感器用来检测生物学物质，生物传感器可以被更广地定义为任何含有生物成分的测量设备。这些传感器通常涉及生物分子，例如生物抗体和生物酶，它们与被测分析物互相作用。生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。生物医学传感器实例血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应：葡萄糖＋O2葡萄糖酸内酯酶+H2O2反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。生物传感器生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些分子包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。这些生物