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机械电子工程学院专业选修课程. 微机电系统. 微机电系统. 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. 分辨能力. 精确性. 实用尺度.

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    Presentation Transcript
    1. 机械电子工程学院专业选修课程 微机电系统 微机电系统 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)

    2. 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

    3. 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

    4. 分辨能力 精确性 实用尺度 • 阈值 • 选择性 • 灵敏度 • 滞变 • 线性 • 重复性 • 稳定性 • 量程 • 全量程输出FSO 传感器的性能 • 响应速度 适应环境能力 条件与结果 • 允许的环境条件 • 过载性能 • 工作寿命 • 偏置 • 输出格式

    5. 传感器分类 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 MEMS与宏观传感器的比较 有源(active,例如压电)、无源(positive,例如荧光) • 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 最早出现、市场值最大、发展最快

    6. 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

    7. 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 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

    8. 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 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。

    9. 一、压力传感器 • 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

    10. 测量放大电路 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 1、电容效应压力微传感器 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

    11. 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。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。 2、谐振效应压力微传感器 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

    12. 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

    13. 二、加速度传感器 • 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

    14. 结构设计原则 • 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 分辨率指标——分辨位移约为 加速度约为0.1

    15. 适用要求 • 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 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

    16. 原理、结构 • 采用该原理的原因 3、0位平衡式硅电容效应加速度微传感器 • 性能特点 • 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—— • 作为微执行器的特点 • 控制电路 目的:脉冲宽度调制信号的占空比与加速度成正比

    17. 三、硅谐振式微陀螺(MMG) • 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 • 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

    18. 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 ——引入纳米制造技术的前景 • 激励和检测技术 ——静电激励和电容检测 • 高Q值 ——真空容腔内振动 • 信号检测电路 ——分辨率10-18F、强抗干扰能力

    19. 结构特点 • 现状 • 理想的完全轴对称 • 制造容易 • 稳定、抗干扰强 • 材料特点 • 已达惯导级指标 • 球直径60-150mm 一种较为理想的结构 • 原理 • 发展成MMG存在的问题

    20. 四、流动微传感器 特点 • 尺度小 应用 ——实现宏观流量点控制、适合于微流量系统 • 阈值低、灵敏度高 ——精确的流量、流速控制

    21. 典型产品例 热风速微传感器

    22. 第二部分 非机械物理量微传感器 ——声、光、电、磁、热等 • 物理原理—— 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 一、磁微传感器 • 特点 ——特别有利于微型化 • 结构尺寸小 • 与IC兼容性好(工艺、材料、工作条件) • 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

    23. 霍尔传感原理与宏观霍尔器件 1、霍尔器件 • MEMS霍尔器件结构与原理 • 应用情况与问题 • 提高灵敏度 • 降低漂移

    24. 铁磁性薄膜磁阻元件/半导体磁阻元件 • 原理 2、磁阻元件 材料在磁场中表现出的电阻率各向异性 • 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 • 电阻率与磁场关系推导 ——存在问题:非线形关系

    25. 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 %/Oe

    26. 原理 • 固有状态 • 在外加磁场信号的影响 3、磁通门 ——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10-10T

    27. 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 3、磁通门

    28. 4、磁微传感器性能对比分析 • 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 • 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

    29. 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 • 磁通门 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

    30. 二、热微传感器 工作原理 /温度系数 /线性化 1、热敏电阻(RTD: resistive temperature detector) 2、热电偶 • 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

    31. 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 2、热电偶 3、其他新原理温度传感器 • 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 4、温度传感作为其他传感器的基础 ——再述微流速计例

    32. 三、光微传感器 • 外光电效应——真空光电管、光电倍增管等 1、光电传感器 • 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

    33. 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 2、光纤传感器 传感型 • 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。 传光型 • 严格地讲不是传感器原理,而只是一种传输光线结构

    34. (光纤传感型中) 光强传感型 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(相位)干涉传感型 • 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;

    35. 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 一般尺度效应 • 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 形成许多新的检测原理 实现微量样本的检测

    36. 薄膜、 微纳结构表面吸附生化成分 • 电极浸入生化液体 常用的结构形式 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

    37. 1、半导体气敏微传感器 材料 氧化物半导体,SnO2基最常用 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

    38. 特点 • 长期漂移 • 选择性较差 • ——改进掺杂贵金属 • 易受温度、湿度干扰 • 灵敏度高——表达法 • 成本低 • 时间响应快 • 低能耗 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

    39. IC薄膜工艺 ——当前主流工艺 工艺 • CVD法——双气体混合反应 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 • 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

    40. 初始工艺 ——用SnO2粉末烧结成多孔厚膜 工艺 • 厚膜工艺 • 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

    41. IC薄膜工艺形成结构 结构 • 半导体化学传感器 ——离子敏感场效应晶体管ISFET

    42. 2、电化学微传感器 • 原理与结构 • 基于传统的电化学分析原理 • 与固态或液态电解质接触 • 多个电极组成的电化学电池 • 引入新技术 • 微加工工艺技术 • 新材料(固态电解质、导电高聚物等) • 工作模式 • 电导/电容测量 • 电位测量测量 • 伏-安特性测量

    43. 3、生化成分的声学微传感器 声学传感器——利用频率MHZ-GHZ的弹性波测量物理、生化量 • 灵敏度很高——化学蒸汽和气体的微量测量 • 输出频率——简单而精确的读出 • 动态范围大、稳定可靠 原理发展 • 振动式阶段 ——厚度剪切模式,以石英晶体微平衡器(QCM)为基础 • 传播式阶段 • 固体表面传播的声表面波(SAW) • 在很薄的弹性膜中传播的弹性弯曲平板波(FPW) • 声平板模式(APM)

    44. 模式对比

    45. 采用SAW的原因 • 频率高,所以灵敏度更高 • 结构上——平面结构、易于微型化;易于并行制作参考器件作为补偿以提高精度 SAW气体传感器 • 结构与原理 • 在传播路径上吸收膜,时间延迟而引起频率变化 • 双通道的优点 • 基板材料——一般银酸锂,少数用硅或石英 • 振荡器材料——氧化锌压电薄膜 • 独特性质 对吸附-脱附过程不需要电荷或热的变化

    46. 应用 SAW气体传感器 • 技术难点——制备选择性强的薄膜 • 补偿方法 ——阵列化 ——测量传播速度、衰减与气体浓度之间的关系

    47. 本章学习要求 掌握传感器的两个部分、按照探测物理量的分类、测量系统结构、特征性能。 掌握压力传感器的压阻、电容、谐振传感原理;加速度传感器的压阻、电容、谐振传感原理,特别是各传感结构;角速度的谐振传感原理。了解流动参数传感器基本传感原理。 掌握声表面波、电、磁传感器的传感原理。掌握光传感器、热传感器的传感机理。 掌握半导体气敏传感器原理,了解电导率/电容、电位、伏安特性电化学传感器原理。

    48. 本章重点难点 • 重点:传感器的按照探测物理量的分类;压力传感器原理;惯性参数传感器原理;声、电、磁、光、热传感器原理;电化学传感器原理;半导体气敏传感器原理 • 难点:传感器的特征性能;谐振传感原理;电化学传感器原理等 • 作业:教材第207页第1-10题