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第二部分MEMS器件(微型传感器) MEMS器件与系统集成技术第二部分MEMS器件微型传感器微型执行器?王喆垚z.wangtsinghua.微电子学研究所Institute of Microelectronics微型传感器微型执行器传感器?传感器(Sensor)?能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用信号(电信号)的器件，信息获得的首要环节将一种能量转换为另外一种能量的器件，例如压电陶瓷将压力转换为电信号?换能器(Transducer)?传感器是换能器的一种电灯开关是传感器吗？万用表是传感器吗？2/46微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器性能描述指标?误差与精度?误差?系统误差?随机误差?精度?精确度(Auracy)?精密度(Precision)?静态指标?灵敏度?分辨率?非线性?重复性?滞后?灵敏度温度系数?零点漂移3微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器性能描述指标?动态特性?动态响应?产生储能元件评价不同波形响应?描述?Laplace变换偏微分多项式4微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器传感器的分类?根据敏感器件?电容传感器?谐振传感器?压阻传感器?压电传感器?隧道传感器?根据输入量?机械（力学）?热?电?磁?辐射?化学传感器5微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器微型传感器?微传感器的优势?微尺度实现更高的性能?高分辨率、高灵敏度、高响应速度抗冲击能力强1N totalPdissipation Ereactive-energy?sizeR=B bandwidth=B bandwidthEreactive-energyN totalk BTR=L sizeL size?提供了众多常规传感器无法实现的现象和敏感机理?微型悬臂梁隧道传感器体积小、功耗低、成本低阵列网络IC集成6微电子学研究所Institute ofMicroelectronics?微型传感器满足适用的要求?微型传感器微型执行器微型传感器?硅占据微型传感器的统治力量?极其优良的机械性能?弹性模量大理想的线弹性材料、无蠕变、无滞后硅器件可以实现压阻、电容、隧道效应等多种敏感机理的检测器件，与其他材料集成还可以实现压电器件等复杂结构硅是集成电路的主流材料硅微型传感器能够与IC集成，从而降低成本、提高性能、简化传感器电路?敏感机理众多?硅制造方式多，工艺完善，与IC集成?7微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器敏感机理输出信号机械(mechano)输入信号热(thermo)摩擦热量计电(electro)压电压阻热电、塞贝克效应磁(mag)压磁效应热辐射反应辐射(photo orradio)光弹效应化学(chemo)机械热电磁辐射化学声流体热膨胀压电效应电弹性磁弹性辐射压力塞贝克效应热磁热电测辐射计朗缪尔探针磁阻效应光电效应电致发光电解光化学反应湿度计导热系数计安培伏特效应8核辐射谐振化学发光微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻效应?压阻效应(Piezoresistivity)?压阻效应压阻器件（半导体或其他材料）在外力作用下，电阻值发生改变的现象压阻传感器外力改变电阻值，通过测量电阻的变化实现测量lR=S折线形压阻?应变系数K=dR R电流方向横向方向LK=1+2+?d金属L9微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻效应?压阻系数(Piezoresistance coefficients)?应力作用时的电阻率00?T1?d1?1?1112120?d?T?0002212?2?2?12?2?d3?1?3?121211000?T3?=?=?004400?T4?d4?0?4?0?d5?5?0000440?T5?000044?d6?6?0?T6?压阻系数单位应力引起的相对电阻率变化量111244-13.6(1E-11/Pa)P型硅（7.8cm）N型硅(11.7cm)6.6-1.1138.1-102.253.410微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻效应?平面应力的压阻变化T3=T4=T5=0?0R11T1+12T2+16T6=l Tl+t Tt+s Ts=110R0?压阻系数的影响因素灵敏度与温度系数的折中11/46微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻效应?平面应力的任意方向的压阻系数222222l=11=11?2(11?12?44)(l1m1+l1n1+n1m1)222=12+(11?12?44)(l12l2t=12+m12m2+n12n2)=(11?12?44)(l13l2+m13m2+n13n2)16常用方向的压阻系数110?010100n110 (100)平面100微电子学研究所Institute ofMicroelectronics12/46微型传感器微型执行器压阻效应?压阻传感器的设计折线形压阻a bR1R2c U o R4电流方向横向方向R3d惠斯通电桥U i?优点?缺点U i?R1R2R3R4?U o=?+?4?R1R2R3R4?设计制造简单线性输出压阻噪声、温度系数灵敏度低温度系数大，需要补偿?核心难点?压阻的绝缘13微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容传感器?可变极板间距?电容随位移的变化不是线性关系dC(x)dx?=A(g0?x)2g0x可变极板面积?x电容值与位移成正比gdC(x)dx=?Wg014L0L xx微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容传感器?梳状叉指电容结构锚点固定电极可动电极C f1C f1质量块C p1C senseC p1y4260fF1G0y G00HL0C f2C p2C f2Cp215微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压电效应?压电效应材料中机械能和电能相互转换的一种现象?正压电效应?压电材料在一定方向受外力作用引起内部极化，晶体两个表面产生符号相反的等量束缚电荷，面密度正比于外力。 ?逆压电效应?电压作用下材料产生机械变形的现象，逆压电效应是压电驱动的基本原理。 ?机理?电极化电场作用下电介质中带有不同电性的电荷间会产生相对位移，使电介质内产生电偶极子，在材料内产生双极现象。 ?压力极化某些物质中除了可以由电场来产生极化外，还可以由机械作用产生极化现象。 16微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压电效应?压电材料?晶体，半导体，压电陶瓷，聚合物和复合压电材料压电效应的必要条件是晶体结构非对称，多数为离子键Si和Ge都不具有压电效应第一类压电方程S i=s ijT j+d ij EjD i=dji Tj+ij Ej?s11?s?12?s13s ij=?0?0?0?s12s11s13000s13s13s33000000s44000000s4400?0?0?0?0?s66?0?0?0d=?0?d15?017?压电方程?第二类压电方程T i=C ijSj?e ijE jDi=e jiSj+ijEj000d1500d31?d31?d33?0?0?0?0?110?=?0011?0033?微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器谐振式传感器?测量机理?被测量调制谐振器的谐振频率、幅值或者相位电能?机械能?调制?机械能?电能谐振结构、激励部分、检测部分多种结构梁、膜片、圆盘、圆环、X形和H形结构等多种振动模式横向、伸缩、扭转、弯曲等不同泛音一阶、二阶、高阶无载荷的谐振频率轴向力作用时n (0)=2n h?组成?谐振结构?双端固支梁?E12l(1?2)(F)=n (0)18F221+n1?(l h)Ewh()微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器谐振式传感器?激励和检测?谐振器振动过程存在着能量损耗，界激励保持?激励?静电、电磁、压电、电热、光热?检测?静电（电容）、压电、电磁、压阻?固定组合使用?核心难点?消除残余应力?谐振稳定性-Q值19Q值不是无限大，需要外微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器隧道效应?隧道效应量子力学现象?利用量子力学波函数描述的隧道效应，电子可以穿透两个相邻导体之间由间隙形成的禁带。 20微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器隧道效应?隧道电流I tV biase?s?核心难点?隧道电流控制处理电路反馈控制静电力，维持电极间距必须采用反馈控制以降低非线性产生的影响、避免电极的相互接触，扩大传感器的动态范围21微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器敏感机理总结22微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器力学传感器?定义?被测量为力学或机械量的传感器力传感器压力、力、力矩、触觉传感器运动传感器速度、加速度、位移、流量、位置、陀螺力学性质传感器密度、粘度、硬度、浊度惯性传感器加速度/陀螺被测量微结构应力/变形/谐振频率变化电学量结构的弹性性质对传感器性能影响很大，一般首选单晶硅?分类?基本测量原理?23微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器力学传感器?压力传感器?承载膜片压力转化为结构变形?换能器变形转化为电信号?圆形膜片的应力变形方程qa4w?r2?0(r)=64D?1?a2?应变3qa2(1?2)?r2?8Eh2?1?3?r=a2?3qa2(1?2)?r2?=?应力8Eh2?1?a2?23qzr?r?2?r=4h3?(1+)?(3+v)?a?23qzr?4h3?1+?()?(1+3v)?r?2?=?a?24qa微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压力传感器建模?方形膜片的应力变形方程?(x a)?(x a)?(y b)?(y b)?qa49?w11(x,y)=87D11+4(D12+2D66)s2+7D22s442222qa?应变?2wyy=?z2?y?2wxy=?2z?x?y?2wxx=?z2?x?应力?2w?2w?Ez?2w Ez?2w Ez?2w+v2?,T yy=?+v2?,T xy=?T xx=?2?22?21?v?x1?v?y1+v?x?y?y?x?25微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻式压力传感器?压阻式压力传感器结构?制造简单、设计成熟、性能较好?温度升高，pn结的漏电流增大?灵敏度较低单晶硅压阻26多晶硅压阻膜片金属多晶硅压阻真空腔硅多晶硅压阻微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻式压力传感器?压阻式压力传感器的建模R=ll+ttRR i44=(li?lt)R i2U i44Uo=214?14?4li?4lt?i=1?i=1?p型 （100）压阻沿110方向l=(11+12+44)2442t=(11+12?44)2?442膜片VsRRR1R4R2径向电阻R3R+R切向电阻VoR+RRR27微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式压力传感器?电容式压力传感器的建模?电容积分?接触?硬芯膜片?波纹膜片多晶硅钝化层铝N+区Cpn P+区压力28/46微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式压力传感器?电容式麦克风29/46微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器加速度传感器概述?加速度传感器?Fma质量块、支承梁、敏感元件压阻压电电容隧道热传导谐振光学电磁?测量F引起的物理量变化?加速度计性能10410带宽H z3智能弹药震动测量（1G=9.8m/sec2）102101110-110-6空间应用气囊医疗应用主动悬浮体定点设备航行头戴显示设备导航设备重力加速度10-410-2102加速度G104微电子学研究所106301Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器加速度传感器概述?加速度传感器性能指标?灵敏度量程频率响应（频带）?非线性温度系数交叉轴干扰?结构方式31分辨率漂移微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器加速度传感器建模?静态模型?抽象模型敏感器件M F e KD32微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器加速度传感器建模?静态模型?灵敏度x staticx staticM1=2S1=a F/M K0敏感器件M KD F e S2=?Vx staticxB=VMS=S1S2=Kx static分辨率F B=4K BTD4K BTDK+jD?M2(m/Hz)4K BTD4K BT0TNEA=M QM33微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器加速度传感器建模?动态模型d xdx dyM2+D+Kx=?M2+F edtdt dtX(s)=Y(s)s=j12敏感器件M KD F e(?0)+2220Q234/41微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器压阻式加速度传感器?结构YZX质量块受力的p-MOSFETs铝导线硅中心支撑CMOS电路键合玻璃?模型?Fma?悬臂梁弯曲?应变?压阻变化35引线触点P区压阻玻璃悬臂梁质量块引线空微电子学研究所气腔Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式加速度传感器?平板电容加速度传感器?结构分辨率1g/Hz0.5硅玻璃1）4）阻尼孔质量块硅2）5）金属电极3）(a)6）质量块梁VTI36(b)微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式加速度传感器?梳状叉指电容加速度传感器ADXL202?结构锚点折叠弹簧分辨率10mg/Hz0.5运动方向间隙1.3m厚3m125m重叠长度固定电极固定电极测量区（42单元）自测区（12单元）往复运动（质量块）锚点Deflection dueto2g aeleration=5nm=25010-18F微电子学研究所Minimum resolvabledeflection=0.04A=9010-21F37Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式加速度传感器?梳状叉指电容加速度传感器ADXL202?模型支撑C1C2梁等效平板电容锚点质量块可动叉指固定叉指支撑梁锚点C1C2等效平板电容加速度方向质量块可动叉指固定叉指C2C1C2C1kx kg0V oa=m mV iC1?C2V o=V iC1+C2C1,2?x?4260?1?(fF)g0x?g0?0hL0C1?C2xV o=V i=60V iC1+C2g038Ewhk0=34l0微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式加速度传感器?梳状叉指电容加速度传感器ADXL202?电路:最小可检测电容变化量210?21F，最小可检测位移0.02nm，灵敏度40mV/g，分辨率10mg，带宽1kHz39微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器电容式加速度传感器?梳状叉指电容加速度传感器?表面微加工分辨率100g-1mg/Hz0.5?体微加工分辨率1-100g/Hz0.5TNEA=4K BTD=4K BT0M QM120m深槽加速度方向测量叉指电极硅质量块玻璃锚点悬空弹性梁40微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器隧道式加速度传感器?结构?高分辨率10-100ng/Hz0.5质量块质量块电极铰链保护环电极偏转电极11.6mm冲击保护装置隧道探针氮化硅悬臂梁偏转电极阻尼孔(a)隧道探针电极(b)阻尼孔13.2mm质量块电极41微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器热传导加速度传感器?结构MEMSIC空气腔?分辨率?1mg/Hz0.5?优点?完全CMOS集成?极高的可靠性?缺点温度传感器加热器(a)硅基底加热的气团(b)加热的气团(c)42温度距离温度距离加速度有加速度温无加速度度Institute of距离微电子学研究所Microelectronics微型传感器微型执行器微陀螺概述?陀螺速度传感器，用来测量物体旋转的快慢陀螺的性能指标?量程灵敏度随机游走标度因子温度系数倾斜（y轴）偏转（z轴）横滚（x轴）43微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器微陀螺工作原理?柯氏加速度?旋转坐标系中的匀速运动，相对参考坐标系的加速度径向速度引起切向加速度加速度对应惯性力转动方向?柯氏力?F c=2mv?转动方向电容测量惯性力方法？径向速度方法？角速度测量?(b)(c)让一个加速度传感器在旋转物体上运动起来陀螺包括谐振44旋转激励测量微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器音叉式微陀螺?结构压阻传感器Al驱动器薄膜柯氏力转动轴键合硅片音叉柯氏力谐振方向Si(a)SiSiO2(b)Al扩散电阻AlN(c)(d)(e)45(f)微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器音叉式微陀螺?Robert Bosch?磁激励、静电检测面内旋转谐振方向折叠弹性梁加速度传感器柯氏力方向加速度传感器质量块电流回路加速度传感器键合电流回路谐振方向46微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器谐振梁式微陀螺?原理y质量块x振动方向弹簧谐振激支撑框架励电容ADXRS衬底柯氏加速度测量电容47微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器谐振梁式微陀螺?结构性能?柯氏力测量叉指电压乘法器尺寸7mm方形，高3mm功耗25mW?18满量程电容变化1210F?21电容分辨率210F灵敏度12.5mV/（?/s）室温噪声0.010.05?/典型带宽20Hz（可达1kHz）非工作状态抗冲击33000g工作状态抗冲击2500g静态灵敏度0.2?/s/g内框架振动质量块速度放大驱动叉指自检测试微调柯氏力测量叉指驱动器稳压器角速度测量驱动方向输出ADXRS静电激励解调器参考温度速度测量叉指静电检测测量输出柯氏力放大微电子学研究所Institute ofMicroelectronics48微型传感器微型执行器圆形微陀螺?原理静电驱动和测量电极锚点振动环静电激励静电检测柔性支撑梁初始位置角速度节点为什么支撑梁是弧形？49微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器圆形微陀螺?Silicon SensingSystems悬空环柔性支承梁键合盘玻璃电流回路硅50电磁激励电磁检测圆形抗冲击微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器?微型传感器?微型执行器51微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器简介?执行器(actuator驱动器)?将控制信号和能量转换为可控运动和功率输出?MEMS系统中在控制信号的作用下对外做功器件?分类根据能量的?电、磁、热、光、声、流体、化学、生物?应用?光学系统?RF MEMS?生物医学系统52微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器简介?执行器电磁能电磁场力静电执行器电磁力执行器磁致伸缩执行器分子力压电执行器电流变执行器气动力高压气动执行器低压气动执行器流体动能流体动力热伸缩流体执行器热执行器双金属执行器热能记忆合金记忆合金执行器电化学执行器烟火执行器53微电子学研究所Institute ofMicroelectronics化学能电解力爆炸力微型传感器微型执行器平板电容执行器?结构?静电力?W(V,g)F e=2?gV*1dC(g)10A21C21QV=V V=dx2g22g20A2254微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器平板电容执行器?下拉效应?电压驱动?弹簧回复力F m=k(g0?g)?静电力0AV Q=F e=220A2g?22平衡状态Fe=F m=0AV2g22=k(g0?g)2kgV=(g0?g)0A微电子学研究所Institute ofMicroelectronics255微型传感器微型执行器平板电容执行器?下拉效应?电压驱动2V=2kg(g0?g)0AdVdg=2k(2g0?3g)=00A g0?gg=23g0V V(2g8kg303)=0p=270A56临界电压的含义是，当驱动电压等于临界电压时，可动极板的位置只有一个微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器平板电容执行器?下拉效应?电压驱动?稳定平衡点和非稳定平衡点归一位移F20AVe=F m=2g2=k(g0?g)57微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器平板电容执行器?平板电容执行器的特点?优点?制造简单?控制使用简单?等比例缩小适合MEMS使用，小尺寸驱动力大?缺点?非线性关系?塌陷导致很小的可动范围?吸附灰尘导致失效58微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器梳状电容执行器?结构?原理?横向运动?纵向运动g固定电极可动电极x59微电子学研究所Institute ofMicroelectronicst L微型传感器微型执行器梳状电容执行器?纵向运动?静电力C b=Cf+C(x)?W*2F=?Cx=?xV?x?12?V b?2C bV?=V=02?x2F12?CntVx=2V?x=g60g固定电极可动电极x微电子学研究所Institute ofMicroelectronicsL t微型传感器微型执行器梳状电容执行器?横向运动?可动电极与两侧的固定电极在位置上对称两侧的电势差不等10xt2V222F10xt21xV22g e,y=Fe,y=V222t2gV sFe,x202gV sg61微电子学研究所Institute ofMicroelectronics微型传感器微型执行器梳状电容执行器?升举现象?镜像电荷引起的可动电极z方向移动?W1dC sp21dC rp21dC rs2=Fe,z=V s+V r+(V s?V r)?z2dz2dz2dz*?抑制升举现象的方法?在叉指上方制造一层悬空地电极，与衬底地电极关于叉指对称去掉叉指下方的地电极以及衬底，形成与上方相同的