MEMS微传感器在汽车中的应用

1、 微传感器微传感器研研12021202班班李竹芳李竹芳n微传感器的概念微传感器的概念n微传感器的分类微传感器的分类n基本敏感原理介绍基本敏感原理介绍n微传感器的实例微传感器的实例主要内容主要内容微传感器的概念微传感器的概念微传感器：基于微传感器：基于MEMS工艺的工艺的，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。MEMS微传感器原理框图 微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。微传感器的概念微传感器的概念微传感器的概念微传感器的概念微传感器的技术指

2、标技术指标：l量程：测量范围上限值和下限值的代数差。l灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值l线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。l分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最 小变化量。l重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试 时所得特性曲线不一致程度。l频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作 的频率区间。附例：附例：一个微加速度传感器的指标一个微加速度传感器的指标灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 抗冲击：2000g 重量：8mg安装螺纹：M5 mm 线性：1%

3、横向灵敏度：5% 典型值：3%输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC温度范围：-40+120 安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹) 几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm l按传感机理分按传感机理分 压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流l按物理参数分按物理参数分 力（加速度/压力/声） 热（热电偶/热阻） 光（光电类） 电磁（磁强计） 化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）微传感器的分类微传感器的分类(1)压阻敏感原理压阻敏感原理 当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布

4、，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化微传感器的敏感原理微传感器的敏感原理ALRddd1212RLEKRL 12KE E电阻的基本关系式电阻率的变化率电阻的变化率其中，为压阻系数压阻变化的具体过程压阻变化的具体过程 1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此 起主要作用； 2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此 起主要作用； 3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。21 E 在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为stRRst11tt11其中2121212121214412111112nlnmml222122212

5、22144121112t2nnmmll主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数 P型压敏电阻的变化率为 5103 .668 .71tlttllRRN型压敏电阻的变化率为 5106 .172 .31tlttllRR压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥1R 1R2R 2R3R 3R4R 4R惠斯顿电桥连接图S+S2- S1-O-O+ioURRU输出电压电容式微传感器的基本结构 (2)电容敏感原理电容敏感原理 利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。 间隙变化型：改变两极板间隙面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电

6、常数平行板电容器的电容为AC0间隙变化型电容式微传感器11CC利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得 nCC21略除高阶无穷小项，得2dSdCKCC这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为dd100%采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：01AC02ACACC2112101212CCCC (3)(3)隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 (4) (4)压电敏感原理压电敏感原理 (5) (5)谐振式敏感原理谐振式敏感原理 (6) (6)热对流式敏感原理热对流式敏感原理 在此不一一介绍。传感器类型测量范围精度频响线性度信号处理电路结构工艺技术成熟性压阻式大中高较好简单电桥电路简单好电容式小高中较好

7、高灵敏度的开关电容或电桥电路复杂差谐振式小高中较好宽频带闭环谐振回路复杂差压电式大低高较好电荷放大器简单好隧道式小高高较差高灵敏度电流检测电路复杂差热对流式大中低一般热敏电阻电桥简单差各种敏感原理特点比较n各种敏感原理的优缺点各种敏感原理的优缺点优点缺点静电敏感材料简单需要较大的器件尺寸以得到足够大的电容较低的工作电流与工作电压信号读出电路复杂响应速度快对微粒与湿度敏感热敏感材料简单相对较大的功耗省去了可动部件相对静电敏感响应速度较慢压阻敏感高灵敏度需要硅掺杂工艺以获取高性能的压敏电阻材料简单（金属应变计）对环境温度变化敏感压电敏感电信号自产生能力，无需外加电源材料生长和制造工艺流程复杂，不能

8、在高温条件下工作微传感器的实例微传感器的实例(1)力学力学微加速度传感器微加速度传感器微陀螺仪微陀螺仪微压力传感器微压力传感器微麦克风微麦克风在此只重点介绍微加速度传感器。微加速度传感器微加速度传感器n主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击n压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。压阻式压阻式 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222挠度应力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一阶固有频率3322dMKbabaMKc阻尼比压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线第一个微加速度计的剖面结构示意图

9、梁基座基座东南大学研制的压阻式大加速度计，在同一块芯片上设计了两种结构传感器单悬臂梁和双悬臂梁结构单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计东南大学压阻式微加速度计样品SEM照片美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计电容式电容式悬浮支架 加速度固定支架导电电极衬底质量块a)垂直敏感电容微加速度计结构固定支点加速度悬浮支架质量块感应叉指b) 水平敏感电容微加速度计结构电容式加速度计的不同敏感电容1) 1) 平行板电容式微加速度计平行板电容式微加速度计 “三明治”结构电容式微加速度计结构硅玻璃玻璃硅硅 平行板结构电容平行板结构电容式微加速度计虽然式微加速度计虽然具有较高的灵敏度具有较高的灵敏度，

10、但是其制作需要，但是其制作需要腐蚀、组装、键合腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程等多种工艺，过程复杂，无法与硅平复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以面工艺兼容，难以实现批量化、低成实现批量化、低成本生产。本生产。 2) 2) 梳状电容式微加速度计梳状电容式微加速度计 挠性梁定齿基底位移位移定齿定齿立柱敏感质量C1C2隧道电流式隧道电流式 隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种结构 悬臂梁隧道针尖悬臂梁式隧道效应微加速度计检测质量电极扭转铰链检测质量可变电极挤压膜阻尼孔氮化层悬臂梁隧道针尖Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计 压电式微加速度计压电式微加速度计 压电式微

11、加速度计具有测量范围宽、启动快、功耗低、直流供电、抗冲击振动、可靠性高等显著优点，在惯性导航系统中有着广泛的应用。 敏感轴方向压电晶体壳体敏感质量压电式微加速度计原理示意图m输出源极传感电容比较电容悬臂梁氧化锌FET放大器Vdd压电式微加速度计的结构焊盘根切P阱电阻微传感器的实例微传感器的实例(2)光学光学光学传感器的原理光学传感器的原理 电子吸收光子，从而向高能级跃迁。电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型： 1）物体从价带向导带跃迁光伏效应 2）物体从导带向价带跃迁光电效应 3）向稳定能级的跃迁双折射，克耳与光电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和

12、空穴形成了具有一系 列显著能级、类似氢的分子）。n当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应外光电效应。l 利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。n当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内内光电导效应光电导效应。前者称为光电导效应光电导效应，后者称为伏伏打效应打效应。l利用半导体光电导效应光电导效应可制成光敏电阻光敏电阻 其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化。u光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。u微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。 一种特殊的