關于現代傳感器技術基礎與應用第1頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微傳感器的概念微傳感器的分類基本敏感原理介紹微傳感器的實例微傳感器的應用本章主要內容第2頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微傳感器的概念微傳感器：基于MEMS工藝的，能把被測物理量轉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微傳感器原理框圖第3頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五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中發展起來的手段和技術來制造，比如微金屬版印制技術、刻蝕技術等，也采用專門為微傳感器制造開發的新技術。微傳感器的概念第4頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微傳感器的概念微傳感器的技術指標：量程：測量范圍上限值和下限值的代數差。靈敏度：傳感器的在穩態下輸出變化對輸入變化的比值線性度：傳感器輸出與輸入之間的線性程度。分辨率：指在規定測量范圍內可能檢測出的被測量的最小變化量。零軸穩定性重復性：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。頻響范圍：在規定誤差條件下，傳感器可以正常工作的頻率區間。第5頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微傳感器的概念對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態特性的斜率，即。非線性傳感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內是恒定的，即傳感器的輸出--輸入特性為直線。靈敏度第6頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出—輸入特性是線性的，它具有以下優點：（1）可大大簡化傳感器的理論分析和設計計算；（2）為標定和數據處理帶來很大方便，只要知道線性輸出—輸入特性上的兩點就可以確定其余各點。微傳感器的概念第7頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五（3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調試容易，提高測量精度；（4）避免了非線性補償環節。實際上許多傳感器的輸出—輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應，一般用多項式表示輸出—輸入特性。第8頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五附例：一個微加速度傳感器的指標靈敏度：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：M5mm線性：≤1%橫向靈敏度：≤5%典型值：≤3%輸出阻抗：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC典型值：24VDC溫度范圍：-40～+120℃殼絕緣電阻：＞Ω安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋)幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm第9頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五按傳感機理分

壓阻、壓電、隧道、電容、諧振、熱對流按物理參數分力（加速度/壓力/聲）熱（熱電偶/熱阻）光（光電類）電磁（磁強計）化學和生物醫學（血糖/電容化學/化學機械）微傳感器的分類第10頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五(1)壓阻敏感原理當壓力作用在單晶硅上時，硅晶體的電阻發生顯著變化的效應稱為壓阻效應。在外力的作用下，結構中的薄膜或梁上產生應力分布，應力的存在使得壓敏電阻的阻值發生變化微傳感器的敏感原理第11頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五電阻的基本關系式電阻率的變化率電阻的變化率其中，為壓阻系數壓阻變化的具體過程第12頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五

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)半導體的靈敏度因子比金屬的高得多，一般在70-170之間。第13頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五

在正交坐標系中，沿任一晶向分布的壓敏電阻，電阻的變化率與應力的關系為其中第14頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五主晶軸坐標系下的縱向、橫向及剪切壓阻系數P型壓敏電阻的變化率為N型壓敏電阻的變化率為第15頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五壓阻式傳感器輸出信號的檢測一般需要采用惠斯通電橋惠斯頓電橋連接圖S+S2-S1-O-O+輸出電壓第16頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五第17頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五電容式微傳感器的基本結構

(2)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換為電容值的變化。第18頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五間隙變化型：改變兩極板間隙δ面積變化型：改變形成電容的有效面積A介質變化型：改變兩極間介質的介電常數ε平行板電容器的電容為第19頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五間隙變化型電容式微傳感器利用泰勒級數展開，由麥克勞林公式可得第20頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五略除高階無窮小項，得這時傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為第21頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五采用差動電容結構可以大大減小傳感器輸出的非線性：第22頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五(3)隧道電流敏感原理在距離十分接近的隧道探針與電極之間加一個偏置電壓，當針尖和電極之間的距離接近納米量級時，電子就會穿過兩者之間的勢壘，形成隧道電流。隧道電流質量塊隧道探針輸入感應力方向膜隧道電流式微傳感器的基本結構第23頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五為直流驅動電壓，單位為V；為隧道電流，單位為A；為常數，等于；為有效隧道勢壘高度，單位為eV；為隧道電極間距，單位為nm。在標準情況下(0.5eV，1nm)，隧道電極間距變化0.1nm時，隧道電流改變2倍。利用這個原理，可以設計各種微傳感器?！氐?4頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五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、溫度系數小以及動態性能好等特點。隧道電流隨距離d的變化曲線第25頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五(4)壓電敏感原理壓電效應:某些物質在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發生變形時，其兩個表面上會產生極性相反的電荷；若將外力去掉時，又重新回到不帶電的狀態。逆壓電效應：在壓電材料兩端施加一定的電壓，材料會表現出一定的形變（伸長或縮短）。第26頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五第27頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五壓電材料的特性常常用電荷靈敏度系數來表示電荷靈敏度系數：沿i軸在材料表面產生的電荷與沿j軸所加的力F的關系得出兩金屬板間的電壓差第28頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五(5)諧振式敏感原理當加速度計連接的外殼的振動頻率接近器件的固有頻率時，共振就會發生；也就是β＝ω/ωn→1.0。檢測質量在這個頻率下振幅達到峰值。對微加速度計而言，器件在這一頻率提供了最靈敏的輸出。這種振動測量器件在共振頻率處的峰值靈敏度的優勢已經在微傳感器設計中被利用。第29頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五

Howe[1987]發展了一個分析承受縱向力的振動梁在模態1時的固有頻率的理論第30頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五y(x,t)滿足其中是梁單位長度的質量

第31頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五第32頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五(6)熱對流式敏感原理向加熱元件施加一定的熱功率，加熱元件周圍形成溫度場，流體流動使溫度場發生變化，分別位于上下游的檢測元件之間就會產生溫差。被測流體的質流量與加熱件上下游端的溫度差T之間的關系為：P:加熱功率，J：熱功當量cp：被測流體的定壓比熱第33頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五傳感器類型測量范圍精度頻響線性度信號處理電路結構工藝技術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高靈敏度的開關電容或電橋電路復雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環諧振回路復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第34頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五各種敏感原理的優缺點優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雜響應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（金屬應變計）對環境溫度變化敏感壓電敏感電信號自產生能力，無需外加電源材料生長和制造工藝流程復雜，不能在高溫條件下工作第35頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微傳感器的實例(1)——力學微加速度傳感器微陀螺儀微壓力傳感器微麥克風第36頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微加速度傳感器主要用于測量物體運動過程中的加速度：過載、振動和沖擊壓阻式、電容式、壓電式、隧道電流式微加速度計。第37頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五壓阻式撓度應力一階固有頻率阻尼比第38頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五壓敏電阻空隙玻璃蓋板質量塊導電膠引線微加速度計的剖面結構示意圖第39頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五單懸臂梁微加速度計雙懸臂梁微加速度計壓阻式微加速度計樣品SEM照片第40頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五電容式懸浮支架加速度固定支架導電電極襯底質量塊)垂直敏感電容微加速度計結構固定支點加速度懸浮支架質量塊感應叉指b)水平敏感電容微加速度計結構電容式加速度計的不同敏感電容第41頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五1)平行板電容式微加速度計“三明治”結構電容式微加速度計結構硅玻璃玻璃硅硅平行板結構電容式微加速度計雖然具有較高的靈敏度，但是其制作需要腐蝕、組裝、鍵合等多種工藝，過程復雜，無法與硅平面工藝兼容，難以實現批量化、低成本生產。第42頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五2)梳狀電容式微加速度計撓性梁定齒基底位移定齒立柱敏感質量C1C2第43頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五

梳狀結構的電容式微加速度計一般采用叉指結構，屬于硅材料線加速度計，其結構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調理電路用相同的工藝在同一硅片上完成，實現整體集成。第44頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五隧道電流式

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構懸臂梁隧道針尖懸臂梁式隧道效應微加速度計第45頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五檢測質量電極扭轉鉸鏈檢測質量可變電極擠壓膜阻尼孔氮化層懸臂梁隧道針尖Stanford大學的雙懸臂梁式隧道效應加速度計第46頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五壓電式微加速度計壓電式微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、可靠性高等顯著優點，在慣性導航系統中有著廣泛的應用。敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質量壓電式微加速度計原理示意圖m第47頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五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構焊盤根切P阱電阻第48頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微陀螺儀利用振動質量塊被基座(儀表殼體)帶動旋轉時的哥氏效應來敏感角速度，具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高、可數字化及可重復大批量生產等優點。線驅動式微陀螺儀

角驅動式微陀螺儀第49頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五線振動(音叉式)微陀螺儀第50頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五角振動式微陀螺儀

第51頁，共59頁，2022年，5月20日，8點19分，星期五微壓力傳感器壓力傳感器是測量壓力的傳感器件，是使用極為廣泛的一種傳感器具有體積小、重量輕、靈敏度高、精度高，動態特性好，耐腐蝕、零位小等優點常見的微壓力傳感器有三種：壓阻