第5章 微傳感器和微執(zhí)行器(第1部分).ppt

第5章微傳感器和微執(zhí)行器 第1部分 微傳感器的概念微傳感器的分類基本敏感原理介紹微傳感器的實例微執(zhí)行器的分類基本致動方式介紹微執(zhí)行器的實例 本章主要內(nèi)容 微傳感器的概念 微傳感器 基于MEMS工藝的 能把被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件 通常由敏感元件和傳輸元件組成 MEMS微傳感器原理框圖 微傳感器的概念 微傳感器的技術(shù)指標 量程 測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差 靈敏度 傳感器的在穩(wěn)態(tài)下輸出變化對輸入變化的比值線性度 傳感器輸出與輸入之間的線性程度 分辨率 指在規(guī)定測量范圍內(nèi)可能檢測出的被測量的最小變化量 重復(fù)性 傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次測試時所得特性曲線不一致程度 頻響范圍 在規(guī)定誤差條件下 傳感器可以正常工作的頻率區(qū)間 附例 一個微加速度傳感器的指標 靈敏度 100mV g量程 50g頻率范圍 0 5 8000Hz 10 安裝諧振點 30kHz分辨率 0 0002g抗沖擊 2000g重量 8mg安裝螺紋 M5mm線性 1 橫向靈敏度 5 典型值 3 輸出阻抗 150 激勵電壓 18 30VDC典型值 24VDC溫度范圍 40 120 殼絕緣電阻 安裝力矩 約20 30Kgf cm M5螺紋 幾何尺寸 四方12mm 高度13 5mm 按傳感機理分壓阻 壓電 隧道 電容 諧振 熱對流按物理參數(shù)分力 加速度 壓力 聲 熱 熱電偶 熱阻 光 光電類 電磁 磁強計 化學(xué)和生物醫(yī)學(xué) 血糖 電容化學(xué) 化學(xué)機械 微傳感器的分類 1 壓阻敏感原理 當壓力作用在單晶硅上時 硅晶體的電阻發(fā)生顯著變化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng) 在外力的作用下 結(jié)構(gòu)中的薄膜或梁上產(chǎn)生應(yīng)力分布 應(yīng)力的存在使得壓敏電阻的阻值發(fā)生變化 微傳感器的敏感原理 電阻的基本關(guān)系式 電阻率的變化率 電阻的變化率 其中 為壓阻系數(shù) 壓阻變化的具體過程 1 金屬電阻的改變主要由材料幾何尺寸的變化引起 因此起主要作用 2 半導(dǎo)體電阻的改變主要由材料受力后電阻率的變化引起 因此起主要作用 3 半導(dǎo)體的靈敏度因子比金屬的高得多 一般在70 170之間 壓阻式傳感器輸出信號的檢測一般需要采用惠斯通電橋 輸出電壓 電容式微傳感器的基本結(jié)構(gòu) 2 電容敏感原理 利用可變電容器作為傳感元件 將作用于傳感元件上的不同物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容值的變化 間隙變化型 改變兩極板間隙 面積變化型 改變形成電容的有效面積A介質(zhì)變化型 改變兩極間介質(zhì)的介電常數(shù) 平行板電容器的電容為 間隙變化型電容式微傳感器 利用泰勒級數(shù)展開 由麥克勞林公式可得 略除高階無窮小項 得 這時傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為 采用差動電容結(jié)構(gòu)可以大大減小傳感器輸出的非線性 3 隧道電流敏感原理 在距離十分接近的隧道探針與電極之間加一個偏置電壓 當針尖和電極之間的距離接近納米量級時 電子就會穿過兩者之間的勢壘 形成隧道電流 為直流驅(qū)動電壓 單位為V 為隧道電流 單位為A 為常數(shù) 等于 為有效隧道勢壘高度 單位為eV 為隧道電極間距 單位為nm 在標準情況下 0 5eV 1nm 隧道電極間距變化0 1nm時 隧道電流改變2倍 利用這個原理 可以設(shè)計各種微傳感器 隧道電流式微傳感器是一種高靈敏度的微傳感器 具有噪聲小 溫度系數(shù)小以及動態(tài)性能好等特點 4 壓電敏感原理 壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時 其兩個表面上會產(chǎn)生極性相反的電荷 若將外力去掉時 又重新回到不帶電的狀態(tài) 逆壓電效應(yīng) 在壓電材料兩端施加一定的電壓 材料會表現(xiàn)出一定的形變 伸長或縮短 壓電材料的特性常常用電荷靈敏度系數(shù)來表示電荷靈敏度系數(shù) 沿i軸在材料表面產(chǎn)生的電荷與沿j軸所加的力F的關(guān)系 得出兩金屬板間的電壓差 5 諧振式敏感原理 當加速度計連接的外殼的振動頻率接近器件的固有頻率時 共振就會發(fā)生 也就是 n 1 0 檢測質(zhì)量在這個頻率下振幅達到峰值 對微加速度計而言 器件在這一頻率提供了最靈敏的輸出 這種振動測量器件在共振頻率處的峰值靈敏度的優(yōu)勢已經(jīng)在微傳感器設(shè)計中被利用 Howe 1987 發(fā)展了一個分析承受縱向力的振動梁在模態(tài)1時的固有頻率的理論 6 熱對流式敏感原理 向加熱元件施加一定的熱功率 加熱元件周圍形成溫度場 流體流動使溫度場發(fā)生變化 分別位于上下游的檢測元件之間就會產(chǎn)生溫差 被測流體的質(zhì)流量與加熱件上下游端的溫度差 T之間的關(guān)系為 P 加熱功率 J 熱功當量cp 被測流體的定壓比熱 各種敏感原理特點比較 各種敏感原理的優(yōu)缺點 微傳感器的實例 1 力學(xué) 微加速度傳感器 微陀螺儀 微壓力傳感器 微麥克風(fēng) 微加速度傳感器 主要用于測量物體運動過程中的加速度 過載 振動和沖擊壓阻式 電容式 壓電式 隧道電流式微加速度計 壓阻式 撓度 應(yīng)力 一階固有頻率 阻尼比 第一個微加速度計的剖面結(jié)構(gòu)示意圖 美國ICSensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計 電容式 1 平行板電容式微加速度計 平行板結(jié)構(gòu)電容式微加速度計雖然具有較高的靈敏度 但是其制作需要腐蝕 組裝 鍵合等多種工藝 過程復(fù)雜 無法與硅平面工藝兼容 難以實現(xiàn)批量化 低成本生產(chǎn) 2 梳狀電容式微加速度計 梳狀結(jié)構(gòu)的電容式微加速度計一般采用叉指結(jié)構(gòu) 屬于硅材料線加速度計 其結(jié)構(gòu)加工工藝與集成電路加工工藝兼容性好 可以將敏感元件和信號調(diào)理電路用相同的工藝在同一硅片上完成 實現(xiàn)整體集成 隧道電流式 隧道式微加速度計 通常有懸臂梁式 多梁支撐式和扭擺軸式等幾種結(jié)構(gòu) Stanford大學(xué)的雙懸臂梁式隧道效應(yīng)加速度計 壓電式微加速度計 壓電式微加速度計具有測量范圍寬 啟動快 功耗低 直流供電 抗沖擊振動 可靠性高等顯著優(yōu)點 在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用 微陀螺儀 利用振動質(zhì)量塊被基座 儀表殼體 帶動旋轉(zhuǎn)時的哥氏效應(yīng)來敏感角速度 具有成本低 體積小 重量輕 可靠性高 可數(shù)字化及可重復(fù)大批量生產(chǎn)等優(yōu)點 線驅(qū)動式微陀螺儀 角驅(qū)動式微陀螺儀 線振動 音叉式 微陀螺儀 角振動式微陀螺儀 微壓力傳感器 壓力傳感器是測量壓力的傳感器件 是使用極為廣泛的一種傳感器具有體積小 重量輕 靈敏度高 精度高 動態(tài)特性好 耐腐蝕 零位小等優(yōu)點常見的微壓力傳感器有三種 壓阻式 電容式和壓電式微壓力傳感器 壓阻式 電容式 這種類型的微壓力傳感器以半導(dǎo)體薄膜為敏感元件 通常由上下電極 絕緣層和襯底構(gòu)成 東京大學(xué)接觸電容式壓力傳感器結(jié)構(gòu) 諧振式 在梁和偏轉(zhuǎn)電極之間施加很小的微伏級的電壓信號就可使梁共振 由梁上的壓敏電阻提供反饋 施加在下層晶片薄膜上的壓力增加了共振梁的張力 就象調(diào)緊吉他弦一樣 這就增加了它的共振頻率 微型麥克風(fēng) 微麥克風(fēng)測量的是聲壓 要求靈敏度高 頻帶寬 瑞士電子與微技術(shù)公司所制作的電容式微麥克風(fēng) 利用體硅工藝制作 重摻雜自停止形成敏感膜和有孔固定電極 微傳感器的實例 2 光學(xué) 光學(xué)傳感器的原理 電子吸收光子 從而向高能級躍遷 能級躍遷的類型 1 物體從價帶向?qū)кS遷 光伏效應(yīng)2 物體從導(dǎo)帶向價帶躍遷 光電效應(yīng)3 向穩(wěn)定能級的躍遷 雙折射 克耳與光電效應(yīng)4 躍遷到中間能級態(tài)和返回到基態(tài)5 其它類似激子的結(jié)構(gòu) 電子和空穴形成了具有一系列顯著能級 類似氫的分子 當入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功時 就有光電子發(fā)射 稱為外光電效應(yīng) 利用這種效應(yīng)制成的傳感器有真空光電管 光電倍增管等 當物體受光照射后 其內(nèi)部原子釋放出電子 但這些電子并不逸出物體表面仍留在內(nèi)部 使物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng) 前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 后者稱為伏打效應(yīng) 利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)可制成光敏電阻其基本原理是輻射時半導(dǎo)體材料中的電荷載流子 包括電子和空穴 的增殖使其電阻率發(fā)生變化 光中的光子和固體中吸收光的電子的相互作用原理在量子物理學(xué)中已經(jīng)比較完善 微光學(xué)傳感器已經(jīng)可以測量出光的強度 具有強光電效應(yīng)的固態(tài)材料可用作這種傳感材料 如圖所示 當透光性較強的半導(dǎo)體基體A接受光子能量后 兩光敏電阻的連接處可產(chǎn)生電勢 產(chǎn)生的電勢可以通過電橋電路中電阻的改變測量出來 一種特殊的材料 當有光照時其自身電阻會發(fā)生變化 圖中的光電二極管由p型和n型摻雜的半導(dǎo)體層組成 圖中的光電子管由p n 和p 摻雜層組成 入射的光子能量可以被轉(zhuǎn)換成從這些器件中輸出的電流 熱電偶是測量熱的最常用的傳感器工作原理 依靠兩個不同金屬線的末端產(chǎn)生的電動勢 此電動勢在兩個導(dǎo)線的交節(jié)點 稱為節(jié)點 被加熱的情況下產(chǎn)生 熱電偶傳感器 微傳感器的實例 3 熱學(xué) 熱電偶 熱電偶原理微溫度傳感器的一個嚴重缺點 輸出信號隨著線和節(jié)點的尺寸的減小而降低 微熱電堆是小型化熱傳感更理想的解決方案 Choi和Wise在1986年研制的微熱電堆 熱雙層片傳感器對于傳感和執(zhí)行而言 熱雙金屬片效應(yīng)是很常用的方法 這種效應(yīng)可將微結(jié)構(gòu)的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械梁的橫向位移 圖熱雙金屬片彎曲 微型磁強計 定義 利用MEMS技術(shù)制作的 把磁場強度和方向信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件 微型磁強計按工作原理主要可分為兩大類 電磁效應(yīng)式和機械式 微傳感器的實例 4 電磁 微傳感器是構(gòu)成任何生物MEMS產(chǎn)品最基本的組元 在生物醫(yī)學(xué)中 常用的兩類傳感器是 1 生物醫(yī)學(xué)傳感器 2 生物傳感器 微傳感器的實例 5 生物醫(yī)學(xué) 生物醫(yī)學(xué)傳感器用來檢測生物學(xué)物質(zhì) 生物傳感器可以被更廣地定義為任何含有生物成分的測量設(shè)備 這些傳感器通常涉及生物分子 例如生物抗體和生物酶 它們與被測分析物互相作用 生物醫(yī)學(xué)傳感器可以分成用來測量生物學(xué)物質(zhì)的生物醫(yī)學(xué)儀器和用以醫(yī)學(xué)診斷為目的的儀器 它們通常只需要小量的樣本 因而可以大大加快分析速度而且?guī)缀鯖]有死區(qū) 生物醫(yī)學(xué)傳感器實例 血樣中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之間將發(fā)生下列的化學(xué)反應(yīng) 葡萄糖 O2葡萄糖酸內(nèi)酯酶 H2O2反應(yīng)中產(chǎn)生的H2O2可以被加在鉑電極上的電壓電解 產(chǎn)生帶正電的氫離子 并被此電極吸引 于是 血樣中葡萄糖的量就可以通過測量兩個電極間電流的方法得到 生物傳感器 生物傳感器的工作原理基于待檢測分析物與生物學(xué)方法產(chǎn)生的生物分子的相互作用 這些分子包括某種形式的酶 抗體和其它形式的蛋白 這些生物分子附著在傳感元單元上 當它們和被分析物相互作用時可以改變傳感器的輸出信號 化學(xué)傳感器用來檢測特定的化合物 工作原理 很多物質(zhì)對化學(xué)作用都很敏感 比如 很多金屬長時間暴露在空氣中都有被氧化的危險 金屬表面顯著的氧化層能改變材料的性能 例如金屬的電阻 這些自然現(xiàn)象就是設(shè)計和發(fā)展微化學(xué)傳