现代检测及仪器-MEMS传感器与数字传感器-2016-2

1、2.2 2.2 微传感器与准数字传感器微传感器与准数字传感器2.2.1 2.2.1 微传感器概述微传感器概述2.2.2 2.2.2 典型微机械传感器典型微机械传感器2.2.3 2.2.3 准数字传感器准数字传感器2.2.1 2.2.1 概概 述述1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程2)2)微传感器的特点微传感器的特点3)3)微传感器的敏感机理微传感器的敏感机理4)4)微传感器中敏感结构的模型问题微传感器中敏感结构的模型问题5)5)微传感器中微弱信号的处理问题微传感器中微弱信号的处理问题6)6)微传感器中应用的材料微传感器中应用的材料7)7)微传感器中的制造技术微传感器中的制造技术1)1

2、)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的产生1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的产生1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的产生微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems), 简称微系统或MEMS。 MEMS随半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术发展起来，具有小型化、集成化特点。微系统技术指可批量制作的、集微型机构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路，包括接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统制造技术。1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的产生主要应用领域主要应用领域n机械特性检测n土木

3、结构状态监测n汽车n机器人n自动化n地震记录n结构主动控制n卫星导航、武器制导n消费电子n生物医疗1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程汽车上的微传感器应用预期2014年中国车用MEMS传感器的市场规模是77亿元从2008到2012年全球MEMS传感器市场由急剧增长状态变得平稳预期到2017年全球MEMS市场规模达210亿美元，年增长率约13% 汽车上的微传感器应用2010-2018年组合惯性传感器市场营收预测（消费类+汽车类） 1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用 小卫星小卫星1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用-在微装置中应用微系统可以使微

4、小卫星的质量降至10kg以下。小小 卫卫 星星1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用-在微装置中1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用-在消费电子领域1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用-在消费电子领域1)1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程微传感器的应用-在消费电子领域免提操作或手势识别将很快成为高端旗舰智能手机、平板电脑和智能眼镜的重要特征之一 应用/功能/传感器类型1)微传感器的发展过程微传感器的发展过程发展历史回顾发展历史回顾：(1) 1960年代出现硅传感器技术,典型代表：硅压阻式传感器、PN结温度传感器和基于霍尔效应

5、的传感器。(2) 1980年代末，微机械压力传感器等技术成熟并市场化，IC工艺制作的静电微电机研制成功，标志着MEMS技术已发展成一门独立的新兴学科。近近2020多年来的进展多年来的进展： 涌现了一批新的、以硅传感器为主的微传感器技术。除前述三种经典硅微传感器外，主要形成了硅电容式硅电容式传感器技术和硅谐振式硅谐振式传感器技术。不仅有一般硅传感器的优点，还有一些上述早期硅传感器不具备的优点。2)微传感器的特点微传感器的特点(1) 微机械传感器的优点微机械传感器的优点(a)传感器性能得到极大提高传感器性能得到极大提高 信号在传输前放大，减少了干扰和传输噪音，提高信噪比；在芯片上集成反馈线路和补偿

6、线路，可改善输出的线性度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。(b)具有阵列性具有阵列性 在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路；把多个相同的敏感元件集成在同一芯片上。 (c)良好的工艺兼容性良好的工艺兼容性 便于与微电子器件集成与封装(d)成熟的硅微半导体加工制造工艺成熟的硅微半导体加工制造工艺 可批量生产，成本低廉（包含测试成本）。2)微传感器的特点微传感器的特点(2) 微机械传感器的微机械传感器的突出特征突出特征 敏感结构的尺寸非常微小。典型尺寸在m或亚m级；体积只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一；质量从kg级下降到g级，仅十几至几g。 微传感器绝不是传统传感器按比例缩小的产物，

7、其基础理论、设计方法、结构工艺、系统实现以及性能测试和评估等都有许多自身的特殊规律与现象，必须进行有针对性的理论与试验研究。 Feedback LoopLaserPhotodiodeSampleYXZCantileverDisplayTopographyX-Y Scan ControlScanner原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）工作原理）工作原理原子力显微镜(AFM)系统结构 4)4)微传感器中敏感结构的模型问题微传感器中敏感结构的模型问题(1) 微微尺度效应：尺度效应： 敏感结构的尺寸非常微小，典型尺寸在m级或亚m级，分析、研究其工作机理，需特别注意可能产生的尺寸效应。 对于利用

8、微型敏感元件结构特性的传感器，如经典的硅压阻式、硅电容式和硅谐振式传感器等，理论与试验研究表明，在目前的几何结构参数范围内(中观)，其尺寸效应可忽略。 对于进一步发展的以及其他利用特殊敏感膜特性实现测量的微传感器，要考虑几何结构参数（亚m级以下、微观）的尺寸效应。 4)4)微传感器中敏感结构的模型问题微传感器中敏感结构的模型问题(2) 微传感器的检测问题微传感器的检测问题 从敏感结构上直接检测到的信号非常微弱，例如电压信号在V、亚V量级；电流信号在nA量级；电容值低于pF，在fF量级。微传感器中有用信号远远低于噪声电平，并与噪声信号始终混叠在一起。所以高噪声背景下的微弱信号检测，是实现微传感器

9、必须要解决的关键问题之一。常用弱信号检测技术常用弱信号检测技术：滤波技术、相关检测、锁相环技术、时域信号取样、随机共振、平均技术及开关电容网络技术等。4)4)微传感器中敏感结构的模型问题微传感器中敏感结构的模型问题(3) 微传感器的微传感器的激励问题激励问题 微弱信号使得对敏感结构上的输入激励信号难控制，敏感结构尺寸微小，使输入激励信号需要严格控制，稍微偏大将使敏感结构的工作性能变坏，使其不能正常工作，甚至使其永久损坏。 若加载到敏感结构上的输入激励信号过于弱小，将不能获得较理想的敏感特性。5) 微传感器中应用的材料微传感器中应用的材料* 敏感结构材料首选硅(单晶、多晶、非晶和硅蓝宝石等)-半

10、导体具有优良的力学性质，功耗低。单晶硅单晶硅：机械品质因数理论值达106，弹性滞后和蠕变非常低，长期稳定性好，导热性很好（为不锈钢的5倍，热胀系数仅为不锈钢的1/7)，各向异性，非常适于制成片状结构多晶硅：多晶硅：单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒排列无序，不同晶粒有不同的单晶取向，每一单晶内部具有单晶的特征。非晶硅：非晶硅：具有许多晶体材料难得的特性，多用于制作温度传感器、光电器件和光电式传感器等。 硅蓝宝石：硅蓝宝石：一种在蓝宝石(-A12O3)衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘体，可实现元件之间的分离，且寄生电容量小。 6) 微传感器的制造技术微传感器的制造技术* 在微传感器

11、中采用了大量新材料(非金属)，因此必须采用相应的微机械加工工艺微机械加工工艺。其核心是利用上述材料制成层与层之间差别较大的微小三维敏感结构微小三维敏感结构。 通常认为微机械加工工艺主要内容包括：硅微机械硅微机械加工工艺、加工工艺、LIGA技术技术(X射线深层光刻、电铸成型、塑铸)和特种精密机械加工特种精密机械加工技术。 三种技术互补，为微传感器的主体结构加工和表面加工提供必要的制造工艺。6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* *通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应，通过化学刻蚀液和被刻蚀物质之间的化学反应，将被刻蚀物质剥离下来，包括将被刻蚀物质剥离下来，包括各向同性各向同性与与

12、各向异性各向异性刻刻蚀蚀6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* * n牺牲层技术是表面微机械加工技术的一种重要工艺。牺牲层技术也叫分离层技术。 U.C.Berkeley采用表面牺牲层工艺制备的世界上第一个MEMS器件微型静电马达采用五层多晶硅工艺制备的微型传动结构6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* * LIGA技术能制造出高宽比达到技术能制造出高宽比达到500、厚度大于、厚度大于1500 m、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米以内的三维立体结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米以内的三维立体结构。结构。 6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* * nLIGA是德

13、文的平版印刷术 Lithographie，电铸成形Galvanoformung和注塑(模塑）Abformung的缩写。nLIGA技术如图所示，主要包括以下工艺过程：同步辐射同步辐射X射线深层光刻射线深层光刻电铸成形电铸成形注塑注塑6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* * 6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* * 指利用各种连接技术把具有平面型微结构的若干单元件重叠若干单元件重叠在起，组成具有复杂结构的三维微机械的一种微机械制造方法。连接方式连接方式连接温度连接温度(C0)原理及方法原理及方法适用对象适用对象冷焊冷焊20在不加热状态下，对工件连接处施加足够的压力在不加

14、热状态下，对工件连接处施加足够的压力以形成接头以形成接头多种材料多种材料粘结粘结50-15050-150利用粘接剂使同种或异种材料的表面粘接在一起利用粘接剂使同种或异种材料的表面粘接在一起 多种材料多种材料钎焊钎焊230230加热时，钎料熔化并湿润被焊材料的表面，借助加热时，钎料熔化并湿润被焊材料的表面，借助于毛细管作用使液态钎料填充工件间隙，从而使于毛细管作用使液态钎料填充工件间隙，从而使工件连接起来工件连接起来多种材料多种材料阴极连接阴极连接250-500给玻璃加以几百伏负电压，在两层材料之间产生给玻璃加以几百伏负电压，在两层材料之间产生了巨大的静电引力所形成的共价键将不同材料连了巨大的静

15、电引力所形成的共价键将不同材料连接起来接起来硼硅耐烧玻璃与硼硅耐烧玻璃与硅玻璃连接的理硅玻璃连接的理想方法想方法直接连接直接连接1000在高温下的无中间层的连接在高温下的无中间层的连接硅与硅，硅与砷硅与硅，硅与砷化镓，硅与碳化化镓，硅与碳化硅连接硅连接玻璃熔接玻璃熔接 400-500连接件之间夹以硼硅玻璃膜，在高温下熔接连接件之间夹以硼硅玻璃膜，在高温下熔接硅与硅，硅与铝硅与硅，硅与铝主要的连接方法主要的连接方法6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* *微机械装配与微机械装配与集成集成-堆装技术n没有封装的微器件无法使用。没有封装的微器件无法使用。n目前主要有以下封装技术：目前主要

16、有以下封装技术：玻璃搪瓷封装玻璃搪瓷封装玻璃和氧化中间层的硅封装玻璃和氧化中间层的硅封装金属低共熔封装金属低共熔封装有机物封装有机物封装场助热焊接场助热焊接6) 6) 微传感器的微传感器的制造技术制造技术* *微机械装配与微机械装配与集成集成-封装技术2.2.2 典型微机械传感器简介典型微机械传感器简介 微机械加速度传感器微机械加速度传感器 微机械陀螺（角速度传感器）微机械陀螺（角速度传感器） 微机械集成压力传感器微机械集成压力传感器 硅微谐振式压力传感器硅微谐振式压力传感器 微机械科氏质量流量传感器微机械科氏质量流量传感器 微结构热学量传感器微结构热学量传感器 其他微传感器其他微传感器微结构

17、是微机械传感器的关键微结构是微机械传感器的关键微结构：微结构：利用利用MEMSMEMS技术，可将常规机械结构和巧技术，可将常规机械结构和巧 妙的新结构以微型化的型式呈现出来妙的新结构以微型化的型式呈现出来。典型微传感器：典型微传感器：2.2.2 典型微机械传感器典型微机械传感器n微加速度传感器微加速度传感器基本结构包括质量块、支撑梁、（位移或应力）敏感器件基本结构包括质量块、支撑梁、（位移或应力）敏感器件微加速度传感器微加速度传感器弹性结构设计弹性结构设计阻尼设计阻尼设计弹性结构设计（决定弹性刚度）：弹性结构设计（决定弹性刚度）：影响加速度传感器的灵影响加速度传感器的灵敏度、带宽、噪声等敏度、

18、带宽、噪声等阻尼设计：阻尼设计：影响相位滞后，影响分辨率影响相位滞后，影响分辨率微加速度计微加速度计n基本结构：悬臂梁基本结构：悬臂梁一块沿硅片表面向外伸出的膜片。作一块沿硅片表面向外伸出的膜片。作用于此梁的加速度会使梁发生相应偏转，检测梁的偏转变化用于此梁的加速度会使梁发生相应偏转，检测梁的偏转变化量即可测得加速度。量即可测得加速度。尼桑公司的集成化硅加速度计 微加速度计微加速度计制造应变式加速度计的三个主要环节：n 将两块玻璃盖板腐蚀、抛光成圆片形，以便与中层的芯片密封焊接；n 中间层硅芯片的微细加工；n 连接引线。引线2mm玻璃盖焊片p和p+ 扩散硅梁和重物在玻璃盖中腐蚀的空腔空气隙电阻

19、器(a)引线3mm(b)200m 玻璃盖导电环氧重物空气隙微型加速度计结构(a) 顶视图顶视图 (b) 中心线剖视图中心线剖视图实物照片与模型示意图锚固 定 电 极固 定 电 极梁梁差 动 电 容1 2连 接 单 元活 动 电 极1 4 . 3 . 1 硅 电 容 式 单 轴 加 速 度 传 感 器 原 理 示 意 图 n 单轴单轴加速度传感器加速度传感器注：梁局部坐标系相对y轴转动35.26。基于实际敏感结构特征，三个加速度分量为式中 C由几何结构参数决定的系数(m(s2V)； Si第i个梁和质量块之间的电信号(V)，i14。 )(2)()(43211342SSSSCaSSCaSSCazyx

20、硅电容式表面微机械陀螺硅电容式表面微机械陀螺注：平面结构参数为1X1 mm2。图 微机械陀螺的SEM图AccuMicroMotion, a single-chip solution for six-degree-of-freedom motion sensingnSchematic topology of the z gyroscope. nSEM picture of the fabricated gyroscope (b). nThe x and y position sensing comb fingers are not shown in (a).硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃膜片集成电路硅电容

21、式集成压力传感器结构示意图n 敏感结构敏感结构硅电容式集成压力传感器硅电容式集成压力传感器硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃膜片集成电路硅电容式集成压力传感器结构示意图p pn 工作机理工作机理硅电容式集成压力传感器硅电容式集成压力传感器硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃膜片集成电路硅电容式集成压力传感器结构示意图SrSpyxpwyxSyxpwC0000,1ddd,222222maxS,11,AyAxHWyxpw42maxS,192)1 (49HAEpWn 特性方程特性方程硅电容式集成压力传感器硅电容式集成压力传感器硼硅酸玻璃硼硅酸玻璃膜片集成电路硅电容式集成压力传感器结构示意图工业自动化工业自动化领域：压力变送器领域：

22、压力变送器n 典型应用典型应用硅电容式集成压力传感器硅电容式集成压力传感器3)3)微机械科氏质量流量传感器微机械科氏质量流量传感器微机械质量流量传感器 微机械质量流量传感器实物结构 基于隧道的微机械红外传感器基于隧道的微机械红外传感器 微机械红外传感器和外部反馈电路 改进的隧道红外传感器的设计 微机械型电容红外传感器微机械型电容红外传感器谐振式微悬臂梁化学微传感器原理 9)MEMSIC的的热对流式加速度计热对流式加速度计-应用于较低频率应用于较低频率精妙之处：利用了有加速度时，气泡的运动会滞后于芯片的运动。结果精妙之处：利用了有加速度时，气泡的运动会滞后于芯片的运动。结果气泡从芯片中心相对偏移

23、，一边的热堆探测到比另一边高的温度。气泡从芯片中心相对偏移，一边的热堆探测到比另一边高的温度。微桥支撑的加热环和热堆加热环Multi-Axis Infrared Proximity Sensor Enables Multi-Dimensional Touchless Gesture Interfaces 小结：微传感器除了具有体积小、质量小、功耗低和响应快等这些通常意义下的优势外，也许在将来还会出现许多新颖独特的设计和实现方式。 近年来，由于消费电子和汽车市场对微传感器的潜在需求，使许多IC制造商纷纷加入集成微传感器的研发生产行列，除传统的ADI、 ST、 Motorola等公司外,还有其它非

24、传统或新生力量如BOSCH、芬兰VTI、MEMSIC等。 尽管目前有些微传感器技术还处于实验室研制阶段，但从目前在汽车和消费电子市场的应用发展状况以及未来物联网发展带来的大量需求看，不远的将来，微传感器将有更大的发展，也会给人类社会带来更美好的未来。2. 2. 谐振状态及其评估谐振状态及其评估3. 3. 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现4. 4. 敏感机理及特点敏感机理及特点5. 5. 几种典型的谐振式传感器几种典型的谐振式传感器n谐振式测量原理谐振式测量原理被测量被测量弹性体弹性体固有振动特性固有振动特性弹性体弹性体谐振敏感元件谐振敏感元件n谐振式传感器的重要性谐振式传感器的重要性u 典

25、型案例典型案例19701970，电位计式，电位计式在我国在我国上使用上使用 1 1 。 真 空 膜 盒弹 簧电 位 器电 刷壳 体引 线u 典型案例典型案例u 技术视角技术视角1973197319881988，研制出我国新一代高精度，研制出我国新一代高精度谐振筒压力传感器谐振筒压力传感器 。 外 壳振 动 筒支 承 骨 架基 座拾 振 线 圈谐 振 线 圈铂 电 阻n谐振式传感器的重要性谐振式传感器的重要性u 典型案例典型案例k (M)eqm (M)eq测量原理测量原理MkgMmMxeqeq，xn谐振式传感器的重要性谐振式传感器的重要性u 技术视角技术视角测量原理测量原理MmMkMfeqeq2

26、1Af，k (M)eqm (M)eqn谐振式传感器的重要性谐振式传感器的重要性u 技术视角技术视角MmMkMfeqeq21MkgMmMxeqeqk (M)eqm (M)eqn谐振式传感器的重要性谐振式传感器的重要性u 技术视角技术视角1 1）谐振现象）谐振现象谐振状态谐振状态开环特性开环特性2 2）谐振子的机械品质因数）谐振子的机械品质因数2. 2. 谐振状态及其评估谐振状态及其评估n 谐振状态谐振状态( (理想理想) )图 1 1 . 1 . 10)(tFkxxcxm 00)(kxxmtFxc mkn2. 2. 谐振状态及其评估谐振状态及其评估n 谐振状态谐振状态( (实际实际) )谐振敏感

27、元件谐振敏感元件 222211PPAnnP221nPnnnA211212max221nnrn 谐振状态谐振状态( (实际实际) )激 励 器谐 振 子拾 振 器放 大 器1 tAtuVsin11)sin(21TVtAun 开环特性开环特性谐振敏感元件谐振敏感元件cSEEQ2mnAQ2112rQ1 1Es-谐振子储存的总能量Ec-谐振子每个周期由阻尼消耗的能量1) 1) 基本结构基本结构2) 2) 闭环系统的实现条件闭环系统的实现条件3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现1)1)基本结构基本结构谐振敏感元件谐振敏感元件n 开环特性开环特性3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现被测量输

28、出1) 1) 基本结构基本结构3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现E、R、D组成电-机-电谐振子环节；E、R、D、A组成闭环自激环节；R、D、O(C)组成信号检测环节。)()()()()(sDsAsEsRsG1)j (VG ，2102)j (nnGV2) 2) 闭环系统的实现条件闭环系统的实现条件3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现 tAtuVsin11)sin(T21tAuV12AA ，2102Tnn激 励 器谐 振 子拾 振 器放 大 器2) 2) 闭环系统的实现条件闭环系统的实现条件3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现激励器谐振子拾振器放大器 2) 2) 闭环系统

29、的实现条件闭环系统的实现条件3 3 闭环自激系统的实现闭环自激系统的实现)()(tAftx 1) 1) 敏感机理敏感机理4 4 敏感机理及特点敏感机理及特点输出信号是周期的，输出信号是周期的， 便于与计算机连接，便于与计算机连接， 便于远距离传输；便于远距离传输；(2)(2)工作于谐振状态，工作于谐振状态， 通常为闭环；通常为闭环；(3)(3)谐振敏感元件，谐振敏感元件， 通常具有灵敏度和分辨率；通常具有灵敏度和分辨率；(4)(4)系统的功耗是极小量，稳定性好。系统的功耗是极小量，稳定性好。被测量输出2) 2) 谐振式测量原理的特点谐振式测量原理的特点4 4 敏感机理及特点敏感机理及特点常见的

30、谐振式传感器：常见的谐振式传感器：振弦式力振弦式力/ /压力传感器压力传感器振动筒压力传感器振动筒压力传感器谐振梁式压力、温度传感器谐振梁式压力、温度传感器 谐振膜式压力传感器谐振膜式压力传感器 谐振式科里奥利直接质量流量传感器谐振式科里奥利直接质量流量传感器石英谐振式传感器石英谐振式传感器- -力、压力、温度、力、压力、温度、QCMQCM 声表面波传感器声表面波传感器5 5 几种典型的谐振式传感器几种典型的谐振式传感器图 1 1 . 5 . 1螺 钉膜 片夹 紧 机 构磁 铁 线 圈 组 件软 铁 片螺 钉振 弦夹 紧 机 构n 结构与原理结构与原理 00TR121pTTLpf)(pTp被测压力的函数被测压力的函数 0Tn 特性方程特性方程图 1 1 . 5 . 1螺 钉膜 片夹 紧 机 构磁 铁 线 圈 组 件软 铁 片螺 钉振 弦夹 紧 机 构图 1 1 . 5 . 1螺 钉膜 片夹 紧 机 构磁 铁 线 圈 组 件软 铁 片螺 钉振 弦夹 紧 机 构图 11.5.2振 荡 器放 大 器n 激励方式激励方式图 1 1 . 6 . 1外 壳振 动 筒线 圈 支 柱基 座拾 振 线 圈激 振 线 圈铂 电 阻n 结构与原理结构与原