现代传感器技术基础与应用

关于现代传感器技术基础与应用微传感器的概念微传感器的分类基本敏感原理介绍微传感器的实例微传感器的应用本章主要内容第2页,共59页，2024年2月25日，星期天微传感器的概念微传感器：基于MEMS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微传感器原理框图第3页,共59页，2024年2月25日，星期天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。微传感器的概念第4页,共59页，2024年2月25日，星期天微传感器的概念微传感器的技术指标：量程：测量范围上限值和下限值的代数差。灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。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。零轴稳定性重复性：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。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。第5页,共59页，2024年2月25日，星期天微传感器的概念对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即。非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出--输入特性为直线。灵敏度第6页,共59页，2024年2月25日，星期天线性度传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出—输入特性是线性的，它具有以下优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点就可以确定其余各点。微传感器的概念第7页,共59页，2024年2月25日，星期天（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；（4）避免了非线性补偿环节。实际上许多传感器的输出—输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般用多项式表示输出—输入特性。第8页,共59页，2024年2月25日，星期天附例：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：M5mm线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC典型值：24VDC温度范围：-40～+120℃壳绝缘电阻：＞Ω安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm第9页,共59页，2024年2月25日，星期天按传感机理分

压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流按物理参数分力（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）微传感器的分类第10页,共59页，2024年2月25日，星期天(1)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。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，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第11页,共59页，2024年2月25日，星期天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第12页,共59页，2024年2月25日，星期天

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。第13页,共59页，2024年2月25日，星期天

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其中第14页,共59页，2024年2月25日，星期天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N型压敏电阻的变化率为第15页,共59页，2024年2月25日，星期天压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥惠斯顿电桥连接图S+S2-S1-O-O+输出电压第16页,共59页，2024年2月25日，星期天第17页,共59页，2024年2月25日，星期天电容式微传感器的基本结构

(2)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。第18页,共59页，2024年2月25日，星期天间隙变化型：改变两极板间隙δ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常数ε平行板电容器的电容为第19页,共59页，2024年2月25日，星期天间隙变化型电容式微传感器利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得第20页,共59页，2024年2月25日，星期天略除高阶无穷小项，得这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为第21页,共59页，2024年2月25日，星期天采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：第22页,共59页，2024年2月25日，星期天(3)隧道电流敏感原理在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。隧道电流质量块隧道探针输入感应力方向膜隧道电流式微传感器的基本结构第23页,共59页，2024年2月25日，星期天为直流驱动电压，单位为V；为隧道电流，单位为A；为常数，等于；为有效隧道势垒高度，单位为eV；为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5eV，1nm)，隧道电极间距变化0.1nm时，隧道电流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。∝第24页,共59页，2024年2月25日，星期天隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。隧道电流随距离d的变化曲线第25页,共59页，2024年2月25日，星期天(4)压电敏感原理压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。第26页,共59页，2024年2月25日，星期天第27页,共59页，2024年2月25日，星期天压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系得出两金属板间的电压差第28页,共59页，2024年2月25日，星期天(5)谐振式敏感原理当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。第29页,共59页，2024年2月25日，星期天

Howe[1987]发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论第30页,共59页，2024年2月25日，星期天y(x,t)满足其中是梁单位长度的质量

第31页,共59页，2024年2月25日，星期天第32页,共59页，2024年2月25日，星期天(6)热对流式敏感原理向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。被测流体的质流量与加热件上下游端的温度差

T之间的关系为：P:加热功率，J：热功当量cp：被测流体的定压比热第33页,共59页，2024年2月25日，星期天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第34页,共59页，2024年2月25日，星期天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，不能在高温条件下工作第35页,共59页，2024年2月25日，星期天微传感器的实例(1)——力学微加速度传感器微陀螺仪微压力传感器微麦克风第36页,共59页，2024年2月25日，星期天微加速度传感器主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。第37页,共59页，2024年2月25日，星期天压阻式挠度应力一阶固有频率阻尼比第38页,共59页，2024年2月25日，星期天压敏电阻空隙玻璃盖板质量块导电胶引线微加速度计的剖面结构示意图第39页,共59页，2024年2月25日，星期天单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计压阻式微加速度计样品SEM照片第40页,共59页，2024年2月25日，星期天电容式悬浮支架加速度固定支架导电电极衬底质量块)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第41页,共59页，2024年2月25日，星期天1)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式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。第42页,共59页，2024年2月25日，星期天2)梳状电容式微加速度计挠性梁定齿基底位移定齿立柱敏感质量C1C2第43页,共59页，2024年2月25日，星期天

梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构，属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集成。第44页,共59页，2024年2月25日，星期天隧道电流式

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第45页,共59页，2024年2月25日，星期天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第46页,共59页，2024年2月25日，星期天压电式微加速度计压电式微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第47页,共59页，2024年2月25日，星期天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阱电阻第48页,共59页，2024年2月25日，星期天微陀螺仪利用振动质量块被基座(仪表壳体)带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。线驱动式微陀螺仪

角驱动式微陀螺仪第49页,共59页，2024年2月25日，星期天线振动(音叉式)微陀螺仪第50页,共59页，2024年2月25日，星期天角振动式微陀螺仪

第51页,共59页，2024年2月25日，星期天微压力传感器压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极为广泛的一种传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动态特性好，耐腐蚀、零位小等优点常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式和压电式微压力传感