現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用

關(guān)于現(xiàn)代傳感器技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用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(shí)例微傳感器的應(yīng)用本章主要內(nèi)容第2頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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微傳感器原理框圖第3頁,共59頁，2024年2月25日，星期天微傳感器是今天最廣泛使用的MEMS器件，通常使用集成電路工業(yè)中發(fā)展起來的手段和技術(shù)來制造，比如微金屬版印制技術(shù)、刻蝕技術(shù)等，也采用專門為微傳感器制造開發(fā)的新技術(shù)。微傳感器的概念第4頁,共59頁，2024年2月25日，星期天微傳感器的概念微傳感器的技術(shù)指標(biāo)：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。零軸穩(wěn)定性重復(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。第5頁,共59頁，2024年2月25日，星期天微傳感器的概念對于線性傳感器，它的靈敏度就是它的靜態(tài)特性的斜率，即。非線性傳感器的靈敏度為一變量。一般希望傳感器的靈敏度高，在滿量程范圍內(nèi)是恒定的，即傳感器的輸出--輸入特性為直線。靈敏度第6頁,共59頁，2024年2月25日，星期天線性度傳感器的線性度是指傳感器輸出與輸入之間的線性程度。傳感器的理想輸出—輸入特性是線性的，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可大大簡化傳感器的理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算；（2）為標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理帶來很大方便，只要知道線性輸出—輸入特性上的兩點(diǎn)就可以確定其余各點(diǎn)。微傳感器的概念第7頁,共59頁，2024年2月25日，星期天（3）可使儀表刻度盤均勻刻度，因而制作、安裝、調(diào)試容易，提高測量精度；（4）避免了非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。實(shí)際上許多傳感器的輸出—輸入特性是非線性的，如果不考慮遲滯和蠕變效應(yīng)，一般用多項(xiàng)式表示輸出—輸入特性。第8頁,共59頁，2024年2月25日，星期天附例：一個微加速度傳感器的指標(biāo)靈敏度：100mV/g量程：50g

頻率范圍：0.5-8000Hz（±10%)安裝諧振點(diǎn):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：＜150Ω激勵電壓：18-30VDC典型值：24VDC溫度范圍：-40～+120℃殼絕緣電阻：＞Ω安裝力矩：約20-30Kgf.cm(M5螺紋)幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm第9頁,共59頁，2024年2月25日，星期天按傳感機(jī)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(qiáng)計(jì)）化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械）微傳感器的分類第10頁,共59頁，2024年2月25日，星期天(1)壓阻敏感原理當(dāng)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第11頁,共59頁，2024年2月25日，星期天電阻的基本關(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第12頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

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。第13頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

在正交坐標(biāo)系中，沿任一晶向分布的壓敏電阻，電阻的變化率與應(yīng)力的關(guān)系為其中第14頁,共59頁，2024年2月25日，星期天主晶軸坐標(biāo)系下的縱向、橫向及剪切壓阻系數(shù)P型壓敏電阻的變化率為N型壓敏電阻的變化率為第15頁,共59頁，2024年2月25日，星期天壓阻式傳感器輸出信號的檢測一般需要采用惠斯通電橋惠斯頓電橋連接圖S+S2-S1-O-O+輸出電壓第16頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第17頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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。第18頁,共59頁，2024年2月25日，星期天間隙變化型：改變兩極板間隙δ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)ε平行板電容器的電容為第19頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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第20頁,共59頁，2024年2月25日，星期天略除高階無窮小項(xiàng)，得這時傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為第21頁,共59頁，2024年2月25日，星期天采用差動電容結(jié)構(gòu)可以大大減小傳感器輸出的非線性：第22頁,共59頁，2024年2月25日，星期天(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(dāng)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。隧道電流質(zhì)量塊隧道探針輸入感應(yīng)力方向膜隧道電流式微傳感器的基本結(jié)構(gòu)第23頁,共59頁，2024年2月25日，星期天為直流驅(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(biāo)準(zhǔn)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(jì)各種微傳感器。∝第24頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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(diǎn)。隧道電流隨距離d的變化曲線第25頁,共59頁，2024年2月25日，星期天(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）。第26頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第27頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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第28頁,共59頁，2024年2月25日，星期天(5)諧振式敏感原理當(dāng)加速度計(jì)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β＝ω/ωn→1.0。檢測質(zhì)量在這個頻率下振幅達(dá)到峰值。對微加速度計(jì)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(jì)中被利用。第29頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

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第30頁,共59頁，2024年2月25日，星期天y(x,t)滿足其中是梁單位長度的質(zhì)量

第31頁,共59頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共59頁，2024年2月25日，星期天(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(dāng)量cp：被測流體的定壓比熱第33頁,共59頁，2024年2月25日，星期天傳感器類型測量范圍精度頻響線性度信號處理電路結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)成熟性壓阻式大中高較好簡單電橋電路簡單好電容式小高中較好高靈敏度的開關(guān)電容或電橋電路復(fù)雜差諧振式小高中較好寬頻帶閉環(huán)諧振回路復(fù)雜差壓電式大低高較好電荷放大器簡單好隧道式小高高較差高靈敏度電流檢測電路復(fù)雜差熱對流式大中低一般熱敏電阻電橋簡單差各種敏感原理特點(diǎn)比較第34頁,共59頁，2024年2月25日，星期天各種敏感原理的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜電敏感材料簡單需要較大的器件尺寸以得到足夠大的電容較低的工作電流與工作電壓信號讀出電路復(fù)雜響應(yīng)速度快對微粒與濕度敏感熱敏感材料簡單相對較大的功耗省去了可動部件相對靜電敏感響應(yīng)速度較慢壓阻敏感高靈敏度需要硅摻雜工藝以獲取高性能的壓敏電阻材料簡單（金屬應(yīng)變計(jì)）對環(huán)境溫度變化敏感壓電敏感電信號自產(chǎn)生能力，無需外加電源材料生長和制造工藝流程復(fù)雜，不能在高溫條件下工作第35頁,共59頁，2024年2月25日，星期天微傳感器的實(shí)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)第36頁,共59頁，2024年2月25日，星期天微加速度傳感器主要用于測量物體運(yùn)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(jì)。第37頁,共59頁，2024年2月25日，星期天壓阻式撓度應(yīng)力一階固有頻率阻尼比第38頁,共59頁，2024年2月25日，星期天壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線微加速度計(jì)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖第39頁,共59頁，2024年2月25日，星期天單懸臂梁微加速度計(jì)雙懸臂梁微加速度計(jì)壓阻式微加速度計(jì)樣品SEM照片第40頁,共59頁，2024年2月25日，星期天電容式懸浮支架加速度固定支架導(dǎo)電電極襯底質(zhì)量塊)垂直敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)固定支點(diǎn)加速度懸浮支架質(zhì)量塊感應(yīng)叉指b)水平敏感電容微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)電容式加速度計(jì)的不同敏感電容第41頁,共59頁，2024年2月25日，星期天1)平行板電容式微加速度計(jì)“三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)硅玻璃玻璃硅硅平行板結(jié)構(gòu)電容式微加速度計(jì)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(shí)現(xiàn)批量化、低成本生產(chǎn)。第42頁,共59頁，2024年2月25日，星期天2)梳狀電容式微加速度計(jì)撓性梁定齒基底位移定齒立柱敏感質(zhì)量C1C2第43頁,共59頁，2024年2月25日，星期天

梳狀結(jié)構(gòu)的電容式微加速度計(jì)一般采用叉指結(jié)構(gòu)，屬于硅材料線加速度計(jì)，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(shí)現(xiàn)整體集成。第44頁,共59頁，2024年2月25日，星期天隧道電流式

隧道式微加速度計(jì)，通常有懸臂梁式、多梁支撐式和扭擺軸式等幾種結(jié)構(gòu)懸臂梁隧道針尖懸臂梁式隧道效應(yīng)微加速度計(jì)第45頁,共59頁，2024年2月25日，星期天檢測質(zhì)量電極扭轉(zhuǎn)鉸鏈檢測質(zhì)量可變電極擠壓膜阻尼孔氮化層懸臂梁隧道針尖Stanford大學(xué)的雙懸臂梁式隧道效應(yīng)加速度計(jì)第46頁,共59頁，2024年2月25日，星期天壓電式微加速度計(jì)壓電式微加速度計(jì)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(diǎn)，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。敏感軸方向壓電晶體殼體敏感質(zhì)量壓電式微加速度計(jì)原理示意圖m第47頁,共59頁，2024年2月25日，星期天輸出源極傳感電容比較電容懸臂梁氧化鋅FET放大器Vdd壓電式微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)焊盤根切P阱電阻第48頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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(diǎn)。線驅(qū)動式微陀螺儀

角驅(qū)動式微陀螺儀第49頁,共59頁，2024年2月25日，星期天線振動(音叉式)微陀螺儀第50頁,共59頁，2024年2月25日，星期天角振動式微陀螺儀

第51頁,共59頁，2024年2月25日，星期天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(diǎn)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