第五章_微传感器.ppt

微机电系统 机械电子工程学院专业选修课程 Micro Electro Mechanical System MEMS 微机电系统 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 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20 m 极板间隙1 m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 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 1 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 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 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 Oe 3 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 10T 3 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 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ISFET 2 电化学微传感器 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 原理与结构 电导 电容测量电位测量测量伏 安特性测量 工作模式 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 3 生化成分的声学微传感器 原理发展 声学传感器 利用频率MHZ GHZ的弹性波测量物理 生化量 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 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 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 模式对比 SAW气体传感器 采用SAW的原因 对吸附 脱附过程不需要电荷或热的变化 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 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 应用 技术难点 制备选择性强的薄膜 阵列化 测量传播速度 衰减与气体浓度之间的关系 补偿方法 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