MEMS传感器的敏感原理.ppt

MEMS传感器的敏感原理 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 压阻效应 piezoresistivity 电阻为电阻率取 得 压阻效应 导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化象 压阻效应 piezoresistivity 金属应变片 电阻率不随应变而变化 应变灵敏度系数1 2 即 对晶体材料 电阻率与应变有关 定义压阻系数 表示单位应力电阻率的相对变化 则应变灵敏度系数为 金属的压阻效应 有 对金属材料 导电率不变 金属丝应变片 金属的压阻效应 应变计 金属应变计 半导体的压阻效应 常用压阻材料 p 或n 多晶硅金属 半导体应变计 简化为 优点 灵敏度大 体积小 缺点 温度稳定性和可重复性不如金属应变片 半导体的压阻效应 3 应变片测量电路 半导体的压阻效应 令 金属丝应变片 V与应变成线形关系 可以用电桥测量电压测量应变 半导体的压阻效应 电阻应变式传感器的应用 测力 半导体的压阻效应 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 半导体的压电效应 piezoelectricity 压电效应是居里兄弟于1880年发现的压电效应 某些材料在机械力作用下产生变形 会引起表面带电的现象 而且其表面电荷密度与应力成正比 半导体的压电效应 施加力F3时 产生电荷电压为更完整的表达式其中分别为应力 应变 场强和电位移 分别为刚度矩阵 介电常数矩阵和压电常数矩阵 半导体的压电效应 常用压电材料石英晶体PZTZnO 加速度计 力传感器 压电式传感器 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器 它的电容量为 A或 发生变化时 都会引起电容的变化 电容式 Capacitor 电容式传感器 a 极距 变化型 驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片 这种材料经特殊电处理后 表面永久地驻有极化电荷 取代了电容传声器极板 故名为驻极体电容传声器 特点是体积小 性能优越 使用方便 电容式传感器 b 面积变化型 电容式传感器 平面线位移型 电容式传感器 柱面线位移型 电容式传感器 电容式 Capacitor 运动导致电容的变化 电容 电容为 其中分别为空气的介电常数和两电极的正对面积 电容的变化与位移不成正比 非线性较强 电容的相对变化为 令 若初始偏移为 则当时 线性度比较好 梳齿电容器的电容与位移的线性度很好 得到广泛的应用 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 谐振式 Resonator 运动方程无阻尼频率有阻尼频率其中当质量 刚度 阻尼改变时 系统的频率随之变化 反之 可由频率的变化反推这些物理量的变化刚度改变可由附加物质 边界条件和内应力引起质量和阻尼的变化可由附加物质 外部环境引起 弯曲频率随轴力的变化 轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化 进而引起弯曲频率的变化矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为其中w h和l分别为梁的宽度 厚度和长度 E和分别为材料的弹性模量和泊松比 n表示频率的阶数 表示第n阶无轴力频率 其值为系数和见下表 两端固支梁频率计算系数 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 隧穿式 Tunneling 在一定的电压作用下 隧穿电流为其中为归一化电流 为隧道势垒高度 为隧尖到电极之间的距离 为转换系数 可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离 MEMS传感器的敏感原理 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 热效应 1 双金属温度计 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的 它是一种固体膨胀温度计 可将温度变化转换成机械量变化 优点 结构简单牢固可靠防爆 2 热电温度计 热电偶 热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路 当两个接点温度不同时 在回路中就会产生热电势 形成电流 此现象称为热电效应 热效应 k 玻耳兹曼常数 e 电子电荷量 T 接触处的温度NA NB 分别为导体A和B的自由电子密度 热效应 热电偶测温基本定律 1 均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的横截面积 长度以及温度分布如何均不产生热电动势 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 热效应 3 参考电极定律两种导体A B分别与参考电极C组成热电偶 如果他们所产生的热电动势为已知 A和B两极配对后的热电动势可用下式求得 由于铂的物理化学性质稳定 人们多采用铂作为参考电极 热效应 热效应 3热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰 镍 铜 钻 铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体 它具有负的电阻温度系数 随温度上升而阻值下降 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 MEMS传感器的敏感原理 光学效应 光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量 并能将光能转化成电信号的器件 其工作原理是基于一些物质的光电效应 内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子 空穴对 使其导电性能增强 光线愈强 阻值愈低 这种光照后电阻率发生变化的现象 称为内光电效应 光敏电阻 光敏二极管和光敏三极管 光学效应 光电池 光生伏特效应指半导体材料P N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应 以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件 光学效应 应用 光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式 直射式 吸收式 遮光式 反射式 四种基本形式 光学效应 光学效应 光学效应 光学效应 干涉Fabry Perot滤波器光栅 压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它 MEMS传感器的敏感原理 其它 热效应电感效应声波传感器 传感器特性评价 静态响应特性 如果测量时 测试装置的输入 输出信号不随时间而变化 则称为静态测量 静态测量时 测试装置表现出的响应特性称为静态响应特性 a 灵敏度当测试装置的输入x有一增量 x 引起输出y发生相应变化 y时 定义 S y x 静态响应特性 b 非线性度标定曲线与拟合直线的偏离程度就是非线性度 非线性度 B A 100 静态响应特性 c 回程误差测试装置在输入量由小增大和由大减小的测试过程中 对于同一个输入量所得到的两个数值不同的输出量之间差值最大者为hmax 则定义回程误差为 hmax A 100 静态响应特性 d 静态响应特性的其他描述 精度 是与评价测试装置产生的测量误差大小有关的指标 灵敏阀 又称为死区 用来衡量测量起始点不灵敏的程度 分辨力 指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化量 表明测试装置分辨输入量微小变化的能力 静态响应特性 测量范围 是指测试装置能正常测量最小输入量和最大输入量之间的范围 可靠性 是与测试装置无故障工作时间长短有关的一种描述 稳定性 是指在一定工作条件下 当输入量不变时 输出量随时间变化的程度 静态响应特性 无论复杂度如何 把测量装置作为一个系统来看待 问题简化为处理输入量x t 系统传输特性h t 和输出y t 三者之间的关系 动态响应特性 无论复杂度如何 把测量装置作为一个系统来看待 问题简化为处理输入量x t 系统传输特性h t 和输出y t 三者之间的关系 动态响应特性 传递函数 直观的反映了测试系统对不同频率成分输入信号的扭曲情况 动态响应特性 a 传递函数的测量 正弦波法 依次用不同频率fi的简谐信号去激励被测系统 同时测出激励和系统的稳态输出的幅值 相位 得到幅值比Ai 相位差 i 依据 频率保持性若x t Acos t x 则y t Bcos t y 动态响应特性 优点 简单 信号发生器 双踪示波器缺点 效率低 从系统最低测量频率fmin到最高测量频率fmax 逐步增加正弦激励信号频率f 记录下各频率对应的幅值比和相位差 绘制就