第五章-微传感器

微机电系统机械电子工程学院专业选修课程Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)第5章微传感器微传感器的基本概念机械量微传感器声/光/电/磁/热微传感器生物化学微传感器微传感器的基本概念传感器概念传感器——两个部分：感受被测量（敏感元件）/转换成可用输出信号（转换元件）调节器——（电）信号AD转换/放大/调制/滤波/解调输出转换器——转换成显示、记录或执行的能量形式传感器的性能允许的环境条件过载性能工作寿命量程全量程输出FSO滞变线性重复性稳定性阈值选择性灵敏度响应速度偏置输出格式分辨能力精确性条件与结果适应环境能力实用尺度MEMS与宏观传感器的比较最早出现、市场值最大、发展最快•微型化，更重要是利用微效应（尺度、材料）提高性能•大多测量原理相同或类似，产生许多新传感原理•分类、信息与能量传输方式上相同，制造方式不同按被测能量形式：机械/电学/磁学/热学/声学/光学/辐射/化学/生物传感器分类有源(active，例如压电)、无源（positive，例如荧光）第一部分机械量微传感器测量物理量——形变/位移结构特征——膜片、梁，原因材料——硅，原因传感器按测量参数分类——压力、加速度、角速度、直线或角位移敏感机理——压电、压阻、电容、电感、谐振压阻检测原理与特点原理——压电电阻效应；形变破坏能带结构、改变电子迁移率和载流子密度。压阻系数（n×m）矩阵特点：温漂大；电阻最大变化率为5%，灵敏度不是很高；结构简单可靠应用方式——多为推拉信号的桥式结构压电检测原理与特点原理——压电效应/逆压电效应压电系数（n×m）矩阵`其简化考虑主要压电常数d33、d31特点：分辨率高（测基因）、响应快、工艺兼容性应用：麦克风、超声传感器、压力传感器、位移变形iijiDdEjjijiSYTdE谐振检测原理与特点原理——膜片或梁谐振频率随应力变形而改变激励方法——电阻热、静电、压电、电磁、光热等检测方法——电阻、电容、压电、电磁、光等特点：直接输出频率数字量，无需A/D转换，直接与数字系统联接；闭环工作，性能主要取决于谐振子的机械性质，受电路参数（如电漂移、噪声等）变化的影响很小，测量精度、稳定性及测量分辨率均较优。电容检测原理与特点原理简单特点：零漂小、结构简单、动态响应快、非接触测量。对于侧面力的测量灵敏度较差、电容变化值大所以灵敏度高；易受杂散电容干扰，所以须立即转换成电压信号主要结构特征-膜片、双固梁；敏感机理-压阻、电容、谐振1、电容效应压力微传感器结构：敏感电容Csen、参考电容Cref。改进结构：使Csen变化处处相等结构参数量级：方膜片2mm×2mm、厚度20μm，极板间隙1μm测量电容值0.1-10pF，改变量更微小一、压力传感器1、电容效应压力微传感器由于所测电容值很小，对测量放大电路的要求与措施：必须具有很小电容——集成制作必须具有很低的温度漂移——采用差动结构方案，对输入的杂散电容和环境温度的变化不敏感，因为同向变化特点灵敏度高——高于压阻式10倍以上功耗低——低于压阻式2个数量级温漂小——所以重复性和长期稳定性好测量放大电路结构——闭环工作。R谐振子，E激励器，D振动信号检测器，A放大调频电路。谐振频率（固有频率）受被测量M的调制。高的机械品质因数降低维持能耗降低因能耗产生的测量误差，在满量程里稳定振动而不漂移通常方法：在真空中工作2、谐振效应压力微传感器2Q谐振结构的总能量每循环耗散能量结构——北京航空航天大学微机械传感技术实验室，电阻热激励、电阻检测式。工艺解释性能——实用的精度已能达到0.01%2、谐振效应压力微传感器主要结构特征-悬臂梁；敏感机理-压阻、电容、谐振1、谐振效应加速度微传感器原理、结构（参数量级例：敏感质量1.55mm×2mm×0.3mm，支撑梁350m×200m×22m，谐振梁700m×200m×5.5m。固有频率约1.5kHz）激励、检测方法二、加速度传感器梁的频率设计——比系统高出几十倍谐振梁结构、模态选择支撑梁结构特征、双支撑的目的交叉轴加速度解耦气体压膜阻尼1、谐振效应加速度微传感器结构设计原则分辨率指标——分辨位移约为加速度约为0.14510nm/Hz/gHz加速度值大——侵彻武器2×105g响应速度快——汽车安全气囊，ms时间内完成反应可靠性高2、电阻效应加速度微传感器适用要求可靠性的措施——阵列式电子科技大学成果8个相同的硅悬臂梁压阻效应，悬臂梁根部扩散电阻，同时将惠斯顿电桥扩散在同一芯片能够测试1.13×105g加速度作为微执行器的特点原理、结构3、0位平衡式硅电容效应加速度微传感器采用该原理的原因性能特点目的：脉冲宽度调制信号的占空比与加速度成正比控制电路•灵敏度很高——低频微弱加速度•精度高——满足惯性导航要求•量程较小——三、硅谐振式微陀螺（MMG）谐振式（MMG多采用）原理•主振动——绕z旋转——y方向交变的哥氏力Fc——形成辅振动•检测y(t)，幅值与绕z旋转角速度的大小成比例，相位与绕z旋转方向有关2()czcFmv陀螺技术发展机械转子陀螺仪——激光陀螺、半球谐振陀螺——光纤陀螺——MMG现状完全轴对称谐振微结构及其应力释放——消除驱动、检测运动的动平衡差异MMG的关键技术问题相对制造精度——静电激励和电容检测信号检测电路高Q值激励和检测技术——引入纳米制造技术的前景——真空容腔内振动——分辨率10-18F、强抗干扰能力结构特点•理想的完全轴对称•制造容易•稳定、抗干扰强一种较为理想的结构原理•材料特点•已达惯导级指标•球直径60-150mm现状发展成MMG存在的问题四、流动微传感器应用•阈值低、灵敏度高特点——实现宏观流量点控制、适合于微流量系统——精确的流量、流速控制•尺度小热风速微传感器典型产品例第二部分非机械物理量微传感器一、磁微传感器——声、光、电、磁、热等特点•结构尺寸小•与IC兼容性好（工艺、材料、工作条件）电磁感应/磁场电效应/核子效应/超导量子干涉/磁致伸缩/磁光效应等物理原理————特别有利于微型化传统应用——磁强针，磁罗盘、电流探测器、磁读出头以及无刷电机中的转子位置探测器等1、霍尔器件•提高灵敏度•降低漂移霍尔传感原理与宏观霍尔器件MEMS霍尔器件结构与原理应用情况与问题2、磁阻元件铁磁性薄膜磁阻元件/半导体磁阻元件原理电阻率与磁场关系推导20()(/)ysRHRRHH结构磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长度x方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度y方向等材料在磁场中表现出的电阻率各向异性——存在问题：非线形关系施加偏场的方法——解决线性化问题2、磁阻元件重要用途——磁盘驱动器中的读出磁头器件发展•MR-GMR-MI•灵敏度指标%/Oe3、磁通门原理•固有状态•在外加磁场信号的影响——通过分析脉冲的相位变化，可测量外加磁场的大小——最常用的形式：读出偶次谐波，傅里叶分析出结果特点•直流或很低频率•高灵敏度10-10T3、磁通门MEMS磁通门结构•材料选用——线圈/磁芯/绝缘层/基底•注意工艺结构特点•分析工艺兼容性4、磁微传感器性能对比分析磁阻元件•参数变化比大•频率高——重要用途：磁盘驱动器中的读出磁头霍尔器件•灵敏度、精度、频率一般•结构简单、工艺成熟、成本低——适合于电机等普通场合4、磁微传感器性能对比分析磁微传感器应用•磁通门导航罗盘（飞机、导弹、卫星、汽车和潜艇）•位置传感•非接触型流速计•非接触型电流测量•金属物体探测•古磁学测量•磁性油墨的读出等磁通门•灵敏度最高•成本高——适合高精度传感（例如导航）——微型化成本降低则前景很好二、热微传感器1、热敏电阻（RTD:resistivetemperaturedetector）工作原理/温度系数/线性化•三个热电效应原理塞贝克See-back珀耳贴Peltier汤普森Thompson•普通热电偶原理•理想参考结点热电偶测量原理2、热电偶2、热电偶•商品化的IC精密温度传感器•量热传感器•铋-锑结阵列薄膜热电偶式传感器•基于热电偶原理的酵素微传感器3、其他新原理温度传感器4、温度传感作为其他传感器的基础——再述微流速计例•材料选择铁/康铜，铂/铂-10%铑，半导体/金属•热电偶堆（thermopile）灵敏度，红外辐射（IR）无源传感器三、光微传感器1、光电传感器外光电效应——真空光电管、光电倍增管等内光电效应——真空光电管、光电倍增管等•光电导效应——半导体光敏电阻，当光辐射时半导体材料电子和空穴增殖•光生伏特效应（光伏效应）——光电池/太阳能电池类；光敏晶体管类（光敏二极管/三级管、PIN光敏三级管、肖特基势垒光敏二极管、雪崩光敏二极管（APD）等特点——直接利用材料光-电转换物理效应2、光纤传感器优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等——应用灵活、适应面广，开辟了很大应用空间既传光，也是敏感元件光纤内光传输特性受被测物理量作用（例如材料机械变形）而发生变化，使光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制。探测的对象往往不是光，严格地讲各属于机械量等传感器。传感型传光型严格地讲不是传感器原理，而只是一种传输光线结构3、光强传感器——光干涉传感器分类实例包括：水下声波传感器、光纤微弯曲传感器、耦合波导传感器、移动光纤水听器、光栅传感器、偏振传感器及全内反射传感器等光强传感型光纤陀螺仪、声传感器、光纤光磁传感器（通过磁致伸缩材料外壳转换）等。经过特殊掺杂或表面涂层的光纤——机械量传感器（加速度计，测量液面位置、形变、位移、力矩、流量的探测器）；辐射剂量测定仪、电流传感器、温度传感器；光（相位）干涉传感型（光纤传感型中）第三部分生物、化学成分微传感器微型化在生化成分检测中的优势•突破宏观检测阈值——微小电极对微小样品，即使样品电导率很小，极小电流也能形成有效的欧姆电压•电极微小，电流输出受对溶液流动不敏感•电容式接地的电流与表面积成正比，从而改善信噪比•微电极的响应快速一般尺度效应形成许多新的检测原理实现微量样本的检测常用的结构形式•薄膜、微纳结构表面吸附生化成分•电极浸入生化液体封装特点•需要一块暴露区域，为提高效果希望接触面积大•需要考虑环境损伤问题•影响封装完整性，增大封装难度1、半导体气敏微传感器原理•SnO2氧化物活性材料是一种N型半导体•较高温度时，空气氧接受由N型SnO2薄膜提供的电子成为阴性粒子•还原性气体将与原先吸附的氧阴离子发生反应而带正电，或者还原性气体与吸附的氧原子发生反应而释放束缚电子材料氧化物半导体，SnO2基最常用应用•大气污染、有害气氛等检测——一氧化碳、硫化氢等•火灾检测与燃烧控制——低浓度可燃气体或一氧化碳、氢、甲烷等还原性气体•有毒危险气体的检漏•人体检测——乙醇、麻醉试剂等特点•灵敏度高——表达法•成本低•时间响应快•低能耗•长期漂移•选择性较差——改进掺杂贵金属•易受温度、湿度干扰gaGSG——当前主流工艺氮气携带含锡的有机复合物蒸气——与基板表面吸附的氧反应形成氧化物——高温退火形成SnO2气敏膜参数：膜厚和晶粒尺寸在几十纳米至几百纳米范围内•CVD法——双气体混合反应•蒸发法——单质沉积后再反应纯锡金属（或锡合金）加热沉积——在含氧气氛中高温转变成氧化物。参数：膜厚几百纳米量级•制备条件控制膜厚和晶粒尺寸——决定响应时间等性能工艺IC薄膜工艺——用SnO2粉末烧结成多孔厚膜初始工艺•采用丝网印刷，将气敏膜印刷到Al2O3基板上•活性层的厚度约在几个微米至几十个微米之间优点•气敏层多孔——有利于增大接触面积•传感元件几何形状多样（例如共面、叉指或夹心型）•设计制作简单工艺厚膜工艺结构IC薄膜工艺形成结构半导体化学传感器——离子敏感场效应晶体管ISFET2、电化学微传感器•基于传统的电化学分析原理•与