第5章-新型传感器原理及应用.ppt

返回总目录,第5章新型传感器原理及应用,新型传感器包括气敏传感器、湿敏传感器、微传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、集成化智能传感器等。本章分别介绍了这些新型传感器概念、工作原理、性能参数、应用领域等相关问题。,气敏、湿敏传感器,微传感器,光栅数字传感器,光电式传感器,集成化智能传感器,本章内容,习题与思考题,气敏传感器,湿敏传感器,气敏、湿敏传感器,一气敏传感器,气敏、湿敏传感器,气敏传感器是用来检测气体浓度和成分的传感器，它对于环境保护和安全监督方面起着极重要的作用。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。所以对气敏传感器有下列要求：能够检测报警气体的允许浓度和其他标准数值的气体浓度，能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质所产生的影响小等。由于被测气体的种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器来检测所有气体，所以气敏传感器的种类也有很多。近年来随着半导体材料和加工技术的迅速发展，实际使用最多的是半导体气敏传感器，这类传感器一般多用于气体的粗略鉴别和定性分析，具有结构简单、使用方便等优点。,气敏、湿敏传感器,半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物)表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测气体。按照半导体与气体相互作用时产生的变化只限于半导体表面或深入到半导体内部，可分为表面控制型和体控制型。第一类，半导体表面吸附的气体与半导体间发生电子授受，结果使半导体的电导率等物性发生变化，但内部化学组成不变；第二类，半导体与气体的反应，使半导体内部组成(晶格缺陷浓度)发生变化，而使电导率改变。按照半导体变化的物理特性，又可分电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是利用敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；非电阻型半导体气敏元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体。表5-1为半导体气敏元件的分类，SnO2(氧化锡)是目前应用最多的一种气敏元件。,气敏、湿敏传感器,1.电阻型半导体气敏传感器的结构半导体气敏传感器一般由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳。按其制造工艺来分，有烧结型、薄膜型和厚膜型三种。图5.1(a)所示为烧结型气敏元器件，它是以氧化物半导体(如SnO2)材料为基体，将铂电极和加热器埋入金属氧化物中，经加热或加压成形后，再用低温(700900)制陶工艺烧结制成，因此也被称为半导体陶瓷。这种器件制作方法简单，器件寿命较长，但由于烧结不充分，器件的机械强度较差，且所用电极材料较贵重，此外，电特性误差较大，所以应用受到一定限制。图5.1(b)所示为薄膜型气敏元器件，采用蒸发或溅射方法，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(厚度在100nm以下)，制作方法也简单，但这种薄膜是物理性附着，所以器件间性能差异较大。,(a)烧结型气敏元器件(b)薄膜型气敏元器件,气敏、湿敏传感器,(c)厚膜型器件(d)厚膜型器件结构,图5.1半导体传感器的器件结构1、5、13加热器；2、7、9、11电极；3烧结体温表；4玻璃；6、10半导体；8、12绝缘体,图5.1(c)、图5.1(d)所示为厚膜型器件，它是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成。由这种工艺制成的元件机械强度高，其特性也相当一致，适合大批量生产。这些器件全部附有加热器，它的作用是使附着在探测部分处的油雾、尘埃等烧掉，加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度。一般加热到200400。,气敏、湿敏传感器,表5-1半导体气敏元件分类,气敏、湿敏传感器,(续),气敏、湿敏传感器,按加热方式不同，可分为直热式和旁热式两种气敏器件。直热式器件的结构和符号如图5.2所示，器件管芯由SnO2、ZnO等基体材料和加热丝、测量丝三部分组成，加热丝和测量丝都直接埋在基体材料内、工作时加热丝通电，测量丝用于测量器件阻值。这类器件制造工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压回路下使用，但热容量小，易受环境气流的影响，测量回路与加热回路之间没有隔离，相互影响。,气敏、湿敏传感器,旁热式气敏器件的结构和符号如图5.3所示。其管芯增加了一个陶瓷管，管内放加热丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂SnO2等材料。这种结构的器件克服了直热式器件的缺点，其测量极与加热丝分离，加热丝不与气敏材料接触，避免了测量回路与加热回路之间的相互影响，器件热容量大，降低了环境气氛对器件加热温度的影响，所以这类器件的稳定性、可靠性都较直热式器件有所改进。,气敏、湿敏传感器,气敏、湿敏传感器,2.半导体气敏材料的气敏机理概述半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面上自由地扩散(物理吸附)，失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处(化学吸附)。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx，称为氧化型气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2，CO，碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给型气体。当氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，而使电阻下降。图5.4为气体接触到N型半导体时所产生的器件阻值变化。当这种半导体气敏传感器与气体接触时，其阻值发生变化的时间(称响应时间)不到1min。相应的N型材料有SnO2，ZnO，TiO2，W2O3等，P型材料有MoO2,CrO3等。,气敏、湿敏传感器,空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与电阻值的变化关系即可得知气体的浓度。3.SnO2系列气敏器件1)主要特性图5.5为SnO2气敏器件的灵敏度特性，它表示不同气体浓度下气敏器件的电阻值。实验证明SnO2中的添加物对其气敏效应有明显影响，如添加Pt(铂)或Pd(钯)可以提高其灵敏度和对气体的选择性。添加剂的成分和含量、器件的烧结温度和工作温度不同，都可以产生不同的气敏效应。例如在同一温度下，含1.5%(重量)Pd的元件，对CO最灵敏，而含0.2%(重量)Pd时，对CH4最灵敏；又如同一含量Pt的元件，在200以下，对CO最灵敏，而400以检测甲烷最佳。,气敏、湿敏传感器,气敏、湿敏传感器,SnO2气敏器件易受环境温度和湿度的影响，其电阻一温湿度特性如图5.6所示。图中RH为相对湿度，所以在使用时，通常需要加温湿度补偿。以提高仪器的检测精度和可靠性。除上述特性外，SnO2气敏器件在不通电状态下存放一段时间后，再使用之前必须经过一段电老化时间，因在这段时间内，器件阻值要发生突然变化而后才趋于稳定。经过长时间存放的器件，在标定之前，一般需12周的老化时间。SnO2气敏器件所用检测电路如图5.7所示。当所测气体浓度变化时，气敏器件的阻值发生变化，从而使输出发生变化。,气敏、湿敏传感器,RSO20oC，65%RH条件下，1000 x100异丁烷器件电阻;RS在测试条件下，1000异丁烷器件电阻,气敏、湿敏传感器,2)主要特性参数(1)器件电阻Ro和Rs。固有电阻Ro(又称正常电阻)表示气敏器件在正常空气条件下(或洁净空气条件下)的阻值。工作电阻Rs表示气敏器件在一定浓度的检测气体中的阻值。(2)灵敏度S。通常用气敏器件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度S。(3)响应时间tres。响应时间表示气敏器件对被检测气体的响应速度。器件从接触到一定浓度的被测气体开始到其阻值到达该浓度下稳定阻值的时间称为响应时间tres。(4)恢复时间trec。恢复时间表示气敏器件对被测气体的脱附速度，又称脱附时间。气敏器件从脱离检测气体开始，到其阻值恢复到正常空气中阻值的时间称为恢复时间trec。实际上，常用气敏器件从接触和脱离检测气体开始，到其阻值或阻值增量达到某一确定的时间，例如，气敏器件阻值增量由零变化到稳定增量的63%所需的时间，定义为响应时间和恢复时间。(5)加热电阻RH和加热功率PH。为气敏器件提供工作温度的加热器电阻，称为加热器电阻RH；气敏器件正常工作时所需的功率称加热功率PH。,气敏、湿敏传感器,4.气敏传感器的应用各类易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和报警都可以用相应的气敏传感器及其相关电路来实现，如气体成分检测仪、气体报警器、空气净化器等已用于工厂、矿山、家庭、娱乐场所等。下面给出几个典型实例。1)简易家用气体报警图5.8是一种最简单的家用气体报警器电路，采用直热式气敏传感器TGS109，当室内可燃性气体浓度增加时，气敏器件接触到可燃性气体而电阻值降低，这样流经测试回路的电流增加，可直接驱动峰鸣器BZ报警。对于丙烷、丁烷、甲烷等气体，报警浓度一般选定在其爆炸下限的1/10，通过调整电阻来调节。,气敏、湿敏传感器,2)有害气体鉴别、报警与控制电路图5.9给出的有害气体鉴别、报警与控制电路图，一方面可鉴别实验中有无有害气体产生，鉴别液体是否有挥发性，另一方面可自动控制排风扇排气，使室内空气清新。MQS2B是旁热式烟雾、有害气体传感器，无有害气体时阻值较高(10k左右)，有有害气体或烟雾进入时阻值急剧下降，A、B两端电压下降，使得B的电压升高，经电阻R1和RP分压、R2限流加到开关集成电路TWH8778的选通端脚，当脚电压达到预定值时(调节可调电阻RP可改变5脚的电压预定值)，1、2两脚导通。+12V电压加到继电器上使其通电，触点J1-1吸合，合上排风扇电源开关自动排风。同时2脚+12V电压经R4限流和稳压二极管VZ1稳压后供给微音器HTD电压而发出嘀嘀声，而且发光二极管发出红光，实现声光报警的功能。,气敏、湿敏传感器,图5.8最简单的家用气体报警器电路图5.9实验室有害气体鉴别控制电路,气敏、湿敏传感器,3)防止酒后开车控制器图5.10为防止酒后开车控制器原理图。图中QMJ1为酒敏元件。若司机没喝酒，在驾驶室内合上开关S，此时气敏器件的阻值很高，Ua为高电平，U1低电平，U3高电平，继电器K2线圈失电，其常闭触点K2-2闭合，发光二极管VD1通，发绿光，能点火启动发动机。,图5.10防止酒后开车控制器原理图,气敏、湿敏传感器,若司机酗酒，气敏器件的阻值急剧下降，使Ua为低电平，U1高电平，U3低电平，继电器K2线圈通电，K2-2常开触头闭合，发光二极管VD2通，发红光，以示警告，同时常闭触点K2-1断开，无法启动发动机。若司机拔出气敏器件，继电器K1线圈失电，其常开触点K1-1断开，仍然无法启动发动机。常闭触点K1-2的作用是长期加热气敏器件，保证此控制器处于准备工作的状态。5G1555为集成定时器。,气敏、湿敏传感器,二湿敏传感器,湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示；相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。,气敏、湿敏传感器,湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。湿度检测较之其他物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再者，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好、响应时间短、寿命长、有互换性、耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。湿度的检测已广泛应用于工业、农业、国防、科技和生活等各个领域，湿度不仅与工业产品质量有关，而且是环境条件的重要指标。,气敏、湿敏传感器,下面介绍一些现已发展比较成熟的几类湿敏传感器。1.氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子电导率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成。氯化锂(LiCl)通常与聚乙烯醇组成混合体，在氯化锂的溶液中，Li和Cl均以正负离子的形式存在，而Li+对水分子的吸引力强，离子水合程度高，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。当溶液置于一定湿度场中，若环境相对湿度高，溶液将吸收水分，使溶液浓度降低，因此，其溶液电阻率增高；反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，从而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件在150时的电阻-湿度特性曲线如图5.11所示。由图可知，在50%80%相对湿度范围内，电阻的对数与湿度的变化为线性关系。,气敏、湿敏传感器,为了扩大湿度测量的线性范围，可以将多个氯化锂(LiCl)含量不同的器件组合使用，如将测量范围分别为(10%20%)RH、(20%40%)RH、(40%70%)RH、(70%90%)RH和(80%99%)RH等5种器件配合使用，就可自动地转换完成整个湿度范围的湿度测量。氯化锂湿敏元件的优点是滞后小、不受测试环境风速影响、检测精度高(达+5%)，但其耐热性差，不能用于露点以下测量，器件性能重复性不理想，使用寿命短。,气敏、湿敏传感器,1ZnO-LiO2-V2O5；2Si-Na2O-V2O5；3TiO2-MgO-Cr2O3,气敏、湿敏传感器,2.半导体陶瓷湿敏电阻通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成为多孔陶瓷，这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系和Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种材料的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷(以下简称半导瓷)。,气敏、湿敏传感器,1)负特性湿敏半导瓷的导电原理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是P型半导体，则由于水分子吸附使表面电动势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为N型，则由于水分子的附着使表面电动势下降，如果表面电动势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，出现所谓表面反型层，这些空穴称为反型载流子。它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。因此，由于水分子的吸附，使N型半导瓷材料的表面电阻下降。由此可见，不论是N型还是P型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。图5.12给出了几种负特性半导瓷阻值与湿度的关系。,气敏、湿敏传感器,2)正特性湿敏半导瓷的导电原理正特性材料的结构、电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着在半导瓷的表面使电动势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。如果对某一种半导瓷，它的晶粒间的电阻并不比晶粒内电阻大很多，那么表面层电阻的加大对总电阻并不起多大作用。不过，通常湿敏半导瓷材料都是多孔的，表面电导占比例很大，故表面层电阻的升高必将引起总电阻值的明显升高。但是由于晶体内部低阻支路仍然存在，正特性半导瓷的总电阻值的升高没有负特性材料的阻值下降那么明显。图5.13给出了Fe3O4正特性半导瓷湿敏电阻阻值与湿度的关系曲线。从图5.13可以看出，当相对湿度从0%RH变化到100%RH时，负特性材料的阻值均下降3个数量级，而正特性材料的阻值只增大了约1倍。,气敏、湿敏传感器,1加热线圈；2湿敏陶瓷片；3电极；4引线圈电极；5底板；6引线；3.典型半导瓷湿敏元件,图5.13Fe3O4半导瓷正湿敏特性图5.14MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的结构,气敏、湿敏传感器,3.典型半导瓷湿敏元件1)MgCr2O4-TiO2湿敏元件氧化镁复合氧化物二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿-电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4为P型半导体，它的电阻率低，电阻-湿度特性好，结构如图5.14所示，在MgCr2O4-TiO2陶瓷片的两面涂覆有多孔金电极，金电极与引出线烧结在一起。为了减少测量误差，在陶瓷片外设置由镍铬丝制成的加热线圈，以便对器件加热清洗，排除恶劣气氛对器件的污染。整个器件安装在陶瓷基片上，电极引线一般采用铂-铱合金。MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度传感器的相对湿度与电阻值之间的关系如图5.15所示。传感器的电阻值既随所处环境的相对湿度的增加而减小，又随周围环境温度的变化而有所变化。2)ZnO-Cr2O3湿敏元件ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中，用树脂固定，其结构如图5.16所示。,气敏、湿敏传感器,图5.15MgCr2O4-TiO2陶瓷湿度图5.16ZnO-Cr2O3湿敏传感器的结构传感器的相对湿度与电阻值之间的关系1引线；2滤网；3外壳；4烧结元件；5电极；6树脂固封,气敏、湿敏传感器,ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无需加热除污装置，因此功耗低于0.5W，体积小、成本低，是一种常用测湿传感器。3)四氧化三铁(Fe3O4)湿敏器件图5.17Fe3O4湿敏元件构造Fe3O4湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。器件结构如图5.17所示。基片材料选用滑石板，该材料吸水率低、机械度高、化学性能稳定。在基片上制作一对梭状金电极，最后将预先配制好的Fe3O4胶体液覆在梭状金电极的表面，进行热处理和老化。Fe3O4胶体之间的接触呈凹状，粒子间的空隙使薄膜具有多孔性，当空气相对湿度增大时，Fe3O4胶膜吸湿。水分子的附着强化颗粒之间的接触，降低了粒间电阻，增加了更多的导流通路，所以元件阻值减小。当Fe3O4湿敏器件处于干燥环境中时，胶膜脱湿，粒间接触面减小，元件阻值增大。当环境温度不同时，涂覆膜上所吸附的水分也随之变化，使梭状金电极之间的电阻产生变化。,气敏、湿敏传感器,Fe3O4湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致的湿敏特性和较好的温度一湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象，响应时间长，吸湿过程(60%RH98%RH)需要2min，脱湿过程(98%RH12%RH)需5min7min。4.湿敏传感器的应用1)湿度检测器图5.18所示的是湿度检测器电路。由555时基电路、湿度传感器CH等组成多谐振荡器，在振荡器的输出端接有电容器C2，它将多谐振荡器输出的方波信号变为三角波。当相对湿度变化时，湿度传感器CH的电容量将随着改变，它将使多谐振荡器输出的频率及三角波的幅度都发生相应的变化，输出的信号经VD1，VD2整流和C4滤波后，可从电压表上直接读出与相对湿度相应的指数来。Rp电位器用于仪器的调零。,气敏、湿敏传感器,2)高湿度显示器图5.19是高湿度显示器电路。它能在环境相对湿度过高时作出显示，告知人们应采取排湿措施了。湿度传感器采用SMOL-A型湿敏电阻，当环境的相对湿度在(20%90%)RH变化时，它的电阻值在几十千欧到几百欧范围内改变。为防止湿敏电阻产生极化现象，采用变压器降压供给检测电路9V交流电压，湿敏电阻RH和电阻R1串联后接在它的两端。当环境湿度增大时，RH阻值减小，电阻R1两端电压会随之升高，这个电压经D1整流后加到由T1和T2组成的施密特电路中，使T1导通，T2截止，T3随之导通，发光二极管D4发光。高湿度显示电路可应用于蔬菜大棚、粮棉仓库、花卉温室、医院等对湿度要求比较严格的场合。,气敏、湿敏传感器,图5.18湿度检测器电路,图5.19高湿度显示器电路,微传感器,MEMS微机电系统与微型传感器,微型压力传感器,微型加速度计,微传感器,一MEMS微机电系统与微型传感器,微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，简称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。是融合了硅微加工、光刻铸造成型(LIGA)和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其他能量范畴如磁、热等。,微传感器,1.MEMS的特点微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。,微传感器,2.MEMS技术发展概况1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主RichardFeynman这样来描述MEMS技术：“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”三年以后，硅微力传感器问世。1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅60m-120m的静电电机。1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界引起轰动。1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。此后，众多发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进MEMS技术发展。MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。一次性血压计是最早的MEMS产品，目前国际上每年都有几千万只的用量。,微传感器,目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件(DMD)已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。,微传感器,我国20世纪80年代末开始MEMS的研究，到90年代末已有40多个单位的50多个研究小组在新原理器件、通用微器件、新工艺和测试技术，以及初步应用等方面取得显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件和系统、生物传感器、微机器人和硅及非硅加工工艺几个研究方向。但同发达国家相比，我们还有差距。这在MEMS的产业化方面表现得尤为突出。因此，跟踪国外的先进技术，选好突破口成为我国MEMS技术发展的当务之急。以下就几种常见微型传感器作简要介绍。,微传感器,二微型压力传感器,对压力传感器而言，常借助弹性元件将被测力转换成机械变形，再输入给传感器元件得到输出电信号。硅微型压力传感器中的弹性元件都是膜片，硅膜具有小尺寸、高弹性模量和低密度的特点，从而具有高的固有频率。弹性膜片一般都覆盖在一个空腔结构上，腔体中的参考压力作用在膜片内表面上，被测压力施加在膜片外表面上。在压差作用下，膜片发生变形。图5.20所示为不同参考压力腔的示意图。在可能的情况下，应该首选真空密封腔，其参考压力不随温度而发生变化。根据工作原理，硅微型压力传感器可分为压阻式、电容式、谐振式等。,微传感器,图5.20微型压力传感器常见空腔形式,微传感器,1.压阻式微型压力传感器作为应用最广的一类微型压力传感器，硅压阻式压力传感器出现于20世纪60年代，它也是第一类能进行批量生产的MEMS传感器。目前，硅压阻式压力传感器在全世界的年产量已上亿，应用于汽车进汽油管的压力测量，以控制注油量并淘汰了传统的汽化器，用作一次性的生理压力传感器，以避免交叉感染，还可用于汽车轮胎气压测量、水深测量等。压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。此类压力传感器的优点是制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。存在的主要问题是对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。,微传感器,图5.21所示为体加工得到的压阻式微型压力传感器的主体结构。压敏电阻沉积在弹性膜片表面上，一般位于膜片的固定边缘附近。电阻与膜片之间有一层SiO2作为隔离层。弹性膜片的典型厚度为数十微米，是从硅片背面刻蚀出来的。在线性工作范围内，压敏电阻感受膜片边缘的应变，输出一个与被测压力成正比的电信号。弹性膜片的厚度会严重影响受压变形后的挠度，因此当到达适当厚(深)度时的刻蚀停止技术尤为关键。由于是从硅片背面进行硅膜刻蚀的，所以有可能与标准IC工艺相结合，将传感部分和处理电路做成一体。1983年丰田公司率先开发出带有片上电路的微型压力传感器。压阻式传感器的工作原理可总结如下：压敏电阻与压力敏感膜片集成为一体；压力作用下，敏感膜片发生变形；压敏电阻值的变化对应膜片变形，从而间接反映出被测压力值；通过电桥电路对压敏电阻的变化值进行测量。,微传感器,图5.21压阻式微型压力传感器的主体结构,微传感器,2.电容式微型压力传感器电容式微型压力传感器通常是将活动电极固连在膜片表面上，膜片受压变形导致极板间距变化，形成电容变化值。这类传感器曾被用于紧急输血时的血压计，或用作眼内压力监测器，以检测青光眼等眼球内压反常升高的疾病等。图5.22所示为通过体加工工艺得到的电容式微型压力传感器。由各向异性刻蚀单晶硅制作出敏感膜片，通过膜片周围的固定部分与两玻璃片键合在一起。为减小应力，硅材料与键合玻璃片的热膨胀系数要近似匹配。弹性膜片固连的活动电极和玻璃片上的固定极板构成电容器，同时膜片周围的固定部分与玻璃片之间还形成不受压力变形影响的参考电容。测量电路制作在同一硅片上，从而形成机电单片集成的微型传感器。该传感器芯片的平面尺寸约为8mm6mm。,微传感器,图5.22电容式微压力传感器,微传感器,一般电容式压力微型传感器受温度影响很小，能耗低，相对灵敏度高于压阻式传感器，通常能获得30%50%的电容变化，而压阻器件的电阻变化最多只有2%5%。通过电容极板的静电力可以对外压力进行平衡，所以电容式结构还能实现力平衡式的反馈测量。因为电容变化与极板间距成正比，因此非线形是变间距电容式传感器的固有特征之一。另外，输出电容变化信号往往很小，需要相对复杂的专门接口电路。接口电路要和传感器集成在同一芯片上，或尽量安装靠近传感器芯片的位置，以避免杂散电容的影响。,微传感器,3.谐振式微型压力传感器谐振式微型压力传感器分两种类型。第一种直接利用振动膜结构，谐振频率依赖于膜片的上下面压差。另一种是在膜片上制作振动结构，上下表面的压差导致膜片翘曲，振动结构的谐振频率随膜片的应力而变化。谐振式压力传感器可以获得很高精度，输出频率直接是数字信号，具有强的抗干扰能力。谐振式压力传感器的缺点是制造工艺相对复杂，振动元件若集成在压力敏感膜上，二者的机械耦合会引起一些问题。图5.23所示为一种商业化的谐振式压力传感器。由两平行梁构成的H形谐振器集成在压力敏感膜片上，其中一根梁通激励电流，在磁场中受洛伦兹力影响而发生振动。另一根梁也处于磁场中，可以利用感应电压对振动进行检测，从而确定膜片的应力状态，进一步得到被测压力值。该谐振器工作在局部真空状态，减少了空气阻尼影响，获得高的Q值。,微传感器,图5.23采用谐振梁的微型压力传感器,微传感器,三微型加速度计,微型加速度计和微机械陀螺都属于惯性传感器，均已大量产品化。在汽车上，微型加速度传感器用来启动包括气囊在内的安全系统或用于自动刹车等，以提高汽车的安全稳定性和切断电路。此外，微型加速度计还用于一些可发挥其低成本和小尺寸特点的场合，例如生物医学领域的活动监控，便携式摄像机的图像稳定性控制等。微型加速度计通常由弹性元件(如弹性梁)将惯性质量块悬接在参考支架上。加速度引起参考支架与惯性质量块间发生相对位移，通过压敏电阻或可变电容器进行应变或位移测量，从而得到加速度值。,微传感器,1.压阻式微型加速度计最早的MEMS加速度计是美国斯坦福大学的研究者在20世纪70年代制造的压阻式微型加速度计，如图5.24所示，被用于生物医学移植和测量心壁加速度等。该传感器的中间硅片厚200m，键合芯片总体积为2mm3mm0.6mm3，质量为20mg，测量总范围是200g(g是重力加速度)，最大过载量是600g，分辨率为0.001g。谐振频率为2.33kHz。图5.24所示为该微机械加速度计芯片的顶视图和剖视图。大的惯性质量块有利于获得高灵敏度和低噪声，故采用了体加工技术，并形成玻璃-硅-玻璃的夹层结构。中间层为包含悬臂梁和惯性质量块结构的硅片。两个经各向同性腐蚀的玻璃片键合在硅片外面，构成使硅敏感结构有活动余量的封闭腔，并可限制冲击和适当减震。中间硅片由双面腐蚀制作而成，惯性质量块通过悬臂梁支撑并连接在外围结构(参考支架)上，扩散形成的压敏电阻集成在悬臂梁上。,微传感器,图5.24压阻式微型加速度计,微传感器,在加速度作用下，外围支架相对惯性质量块运动，作为弹性连接件的悬臂梁发生弯曲，压敏电阻测出该应变从而可得到加速度值。悬臂梁根部的应变最大，所以为提高灵敏度，应变电阻制作在靠近悬臂梁根部的位置。应注意图中只有一个压敏电阻用于测量应变，另外一个为参考电阻。为减小横向灵敏度(即减小对非测量方向加速度的灵敏度)，可增加悬臂梁数目或优化质量块及弹性梁的形状、排布形式等。,微传感器,2.电容式微型加速度计图5.25所示为平板电容式微型加速度计系统原理图。悬臂梁支撑下的惯性质量块上固连可动电极，两玻璃盖板的内表面上都制作固定极板，三者键合形成可检测活动极板相对位置运动的差动电容。中间硅摆片尺寸为3.2mm5mm，由双面体硅刻蚀加工而成。,微传感器,图5.25平板电容式微型加速度计系统原理图,微传感器,该传感器采用闭环控制的力平衡的工作模式。脉宽调制器结合反向器产生两个脉宽调制信号和，加到电极板上。通过改变脉冲宽度调制信号的脉冲宽度，控制作用在可动极板上静电力的大小，从而与加速度产生惯性力相平衡，使可动极板保持在中间位置。在脉宽调制的静电伺服技术中，脉宽与被测加速度成正比，通过测量脉冲宽度来获得被测加速度值。力平衡式工作方式使可动极板和固定极板的间隙可以做得很小。同时，传感器具有较宽的线性工作范围和较高的灵敏度，能够测量低频微弱的加速度信号。该传感器的测量范围是1g，分辨率达到10g6g，测量范围内的非线性误差小于土0.1%；频率响应范围是0100Hz。,光栅数字传感器,光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而得到了广泛的应用。,一光栅的结构和类型,光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在活动部件上，如机床的工作台或丝杆上。光栅读数头则安装在固定部件上，如机床的底座上。当活动部件移动时，读数头和标尺光栅也就随之做相对的移动。,1.光栅尺标尺光栅和光栅读数头中的指示光栅构成光栅尺，如图5.26所示，其中长的一块为标尺光栅，短的一块为指示光栅。两光栅上均匀地刻有相互平行、透光和不透光相间的线纹，这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直。从图上光栅尺线纹的局部放大部分来看，白的部分b为透光线纹宽度，黑的部分a为不透光线纹宽度，设栅距为W，则W=a+b，一般光栅尺的透光线纹和不透光线纹宽度是相等的，即a=b。常见长光栅的线纹宽度为(25，50，100，125，250)线/mm。,光栅数字传感器,图5.26光栅尺,光栅数字传感器,2.光栅读数头光栅读数头由光源、透镜、指示光栅、光敏元件和驱动线路组成，如图5.27(a)所示。光栅读数头的光源一般采用白炽灯。白炽灯发出的光线经过透镜后变成平行光束，照射在光栅尺上。由于光敏元件输出的电压信号比较微弱，因此必须首先将该电压信号进行放大，以避免在传输过程中被多种干扰信号所淹没、覆盖而造成失真。驱动电路的功能就是实现对光敏元件输出信号进行功率放大和电压放大。光栅读数头的结构形式按光路分，除了垂直入射式外，常见的还有分光读数头、反射读数头等，其结构如图5.27(b)、图5.27(c)所示。光栅按其形状和用途可以分为长光栅和圆光栅两类，长光栅用于长度测量，又称直线光栅，圆光栅用于角度测量；按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅。,光栅数字传感器,图5.27光栅读数头,光栅数字传感器,二光栅传感器的工作原理,光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔(Moire)，法文的原意是水面上产生的波纹。莫尔条纹是指两块光栅叠合时，出现光的明暗相间的条纹，从光学原理来讲，如果光栅栅距与光的波长相比较是很大的话，就可以按几何光学原理来进行分析。如图5.28所示为两块栅距相等的光栅叠合在一起，并使它们的刻线之间的夹角为时，这时光栅上就会出现若干条明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。莫尔条纹有如下几个重要特性。,光栅数字传感器,1消除光栅刻线的不均匀误差由于光栅尺的刻线非常密集，光电元件接收到的莫尔条纹所对应的明暗信号，是一个区域内许多刻线的综合结果。因此它对光栅尺的栅距误差有平均效应，这有利于提高光栅的测量精度。2位移的放大特性莫尔条纹间距是放大了的光栅栅距W，它随着光栅刻线夹角而改变。当1时，可推导得莫尔条纹的间距。可知越小则B越大，相当于把微小的栅距扩大了1/倍。3移动特性莫尔条纹随光栅尺的移动而移动，它们之间有严格的对应关系，包括移动方向和位移量。位移一个栅距W，莫尔条纹也移动一个间距B。移动方向的关系详见表5-2。莫尔条纹如图5.28所示。主光栅相对指示光栅的转角方向为逆时针方向，主光栅向左移动，则莫尔条纹向下移动；主光栅向右移动，莫尔条纹向上移动。,光栅数字传感器,表5-2光栅移动与莫尔条纹移动关系表,光栅数字传感器,4光强与位置关系两块光栅相对移动时，从固定点观察到莫尔条纹光强的变化近似为余弦波形变化。光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期2，这种正弦波形的光强变化照射到光电元件上，即可转换成电信号关于位置的正弦变化。当光电元件接收到光的明暗变化，则光信号就转换为如图5.29所示的电压信号输出，它可以用光栅位移量x的余弦函数表示为式中U0光电元件输出的电压信号；Um输出信号中的最大电压信号；Uav输出信号中的平均直流分量。,光栅数字传感器,图5.29等栅距形成的莫尔条纹(0),X光栅移动方向；y莫尔条纹移动方向,光栅数字传感器,三辨向与细分电路,1.辨向原理在实际应用中，被测物体的移动方向往往不是固定的。无论主光栅向前或向后移动，在一固定点观察时，莫尔条纹都是作明暗交替变化。因此，只根据一条莫尔条纹信号，则无法判别光栅移动方向，也就不能正确测量往复移动时的位移。为了辨向，需要两个一定相位差的莫尔条纹信号。,光栅数字传感器,图5.30所示为辨向的工作原理和它的逻辑电路。在相隔1/4条纹间距的位置上安装两个光电元件，得到两个相位差/2的电信号U01和U02，经过整形后得到两个方波信号U01和U02，从图中波形的对应关系可以看出，在光栅向A方向移动时，U01经微分电路后产生的脉冲(如图中实线所示)正好发生在U02的“1”电平时，从而经与门Y1输出一个计数脉冲。而U01经反相微分后产生的脉冲(如图中虚线所示)则与U02的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。在光栅作方向移动时，U01的微分脉冲发生在U02为“0”电平时，故与门Y1无脉冲输出；而U01反相微分所产生的脉冲则发生在U02的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。因此，U02的电平状态可作为与门的控制信号，来控制U01所产生的脉冲输出，从而就可以根据运动的方向正确地给出加计数脉冲和减计数脉冲。,光栅数字传感器,图5.30辨向逻辑工作原理和逻辑电路1.)2.光电元件3.指示光栅4.莫尔条纹光栅移动方向；)对应)的莫尔条纹移动方向,光栅数字传感器,2.细分技术由前面讨论可知，当光栅相对移动一个栅距W，则莫尔条纹移过一个间距B，与门输出一个计数脉冲。这样其分辨率为W。为了能分辨比W更小的位移量，就必须对电路进行处理，使之能在移动一个W内等间距地输出若干个计数脉冲，这种方法就称为细分。由于细分后计数脉冲的频率提高了，故又称为倍频。通常采用的细分方法有四倍频细分、电桥细分、复合细分等。作为电子细分方法它们均属于非调制信号细分法，下面简要介绍电桥细分法。电桥细分法的基本原理可以用下面的电桥电路来说明。图5.31(a)所示的电桥电路和分别为从光电元件得到的两个莫尔条纹信号，R1和R2是桥臂电阻，RL为过零触发器负载电阻。,光栅数字传感器,图5.31电桥细分电路,光栅数字传感器,设Z点的输出电压为，根据电工基础中的节点电压法可知：式中，若电桥平衡，则,(5-1)如前述，莫尔条纹信号是光栅位置状态的正弦函数。令与的相位差为/2，光栅在任意位置x时，和可以分别写成Usin和Ucos，式(5-1)可改写成(5-2)由式(5-2)可见，选取不同R1/R2值，就可以得到任意的值，即在一个节距W以内的任何地方经过零触发器输出一个脉冲。虽然从式(5-2)看来，只有在第二、第四象限，才能满足过零的条件，但是实际上取正弦、余弦及其反相的四个信号，组合起来就可以在四个象限内都得到细分。也就是说通过选择R1和R2的阻值，理论上可以得到任意多的细分数。,光栅数字传感器,由式(5-1)可见，上述的平衡条件是在和的幅值相等、相位相差为/2和信号与光栅位置有着严格的正弦函数关系的要求下得出的。因此，它对莫尔条纹信号的波形，两个信号的正交关系，以及电路的稳定性都有严格的要求。否则会影响测量精度，带来一定的测量误差。采用两个相位差/2的信号来进行测量和移相，在测量技术上获得了广泛的应用。虽然具体电路不完全相同，但都是从这个基本原理出发的。图5.31(b)给出了一个10倍频细分的电位器桥细分电路，图中标明了各输出口的初相角。电桥接在放大级的后面，因为光电元件输出信号的幅值和功率都很小，直接与电桥相连接，将使后面的脉冲形成电路不能正常工作，此电路最大可进行12倍频细分。细分电桥是无源网络，它只能消耗前置级的功率，细分数越大，消耗功率越多，所以在选择桥臂电阻的阻值时，应考虑前后两级的衔接问题。阻值太大，影响输出，对后级不利；阻值太小，消耗功率太大，对前级加重负载；因此，应根据前级的负载能力、细分数和后级吸收电流要求综合考虑。,光栅数字传感器,四光栅数显装置,光栅数显装置的结构示意图和电路原理框图如图5.32所示。图中各环节的典型电路及工作原理上面已经介绍过。在实际应用中对于不带微处理器的光栅数显装置，完成有关功能的电路往往由一些大规模集成电路(IS)芯片来实现，下面简要介绍国产光栅数显装置的LSI芯片对应完成的功能。这套芯片共分三片，另外再配两片驱动器和少量的电阻、电容，即可组成一台光栅数显表。,光栅数字传感器,(a)结构示意(b)电路原理图5.32光栅数显装置1读数头；2壳体；3发光接受线路板；4指示光栅座；5指示光栅；6光栅刻线；7光栅尺；8主光栅,光栅数字传感器,1光栅信号处理芯片(HKF710502)该芯片的主要功能是：完成从光栅部件输入信号的同步、整形、四细分、辨向、加减控制、参考零位信号的处理、记忆功能的实现和分辨率的选择等。2逻辑控制芯片(HKE701314)该芯片的主要功能是：为整机提供高频和低频脉冲；完成BCD译码；XJ校验以及超速报警。3可逆计数与零位记忆芯片(HKE701201)该芯片的主要功能是：接受从光栅信号处理芯片传来的计数脉冲，完成可逆计数；接受参考零位脉冲，使计数器确定参考零位的数值，同时也完成清零、置数、记忆等功能。,光栅数字传感器,五光栅传感器的应用,由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。特别是在量具、数控机床的闭环反馈控制、工作母机的坐标测量等方面，光栅传感器都起