微型傳感器講解

1、 力學(xué)力學(xué)量量微型傳感器微型傳感器 報告人：報告人： 學(xué)號：學(xué)號： 任課老師任課老師 u概述概述 u壓力微傳感器壓力微傳感器 u加速度微傳感器加速度微傳感器 概概 述述 u微傳感器定義：微傳感器定義： 從廣義角度來說，微傳感器和常規(guī)傳感器一樣 是一種能把物理量、化學(xué)量或生物量轉(zhuǎn)變成便于利 用的電信號的器件。微傳感器是微機電系統(tǒng)三大關(guān) 鍵要素之一。 u微傳感器主要特點：微傳感器主要特點： 微傳感器的敏感機理與常規(guī)傳感器相同。但其 體積?。ㄖ皇浅Ｒ?guī)傳感器的幾十分之一乃至1， 其中的敏感元件一般是微米級）；質(zhì)量輕（從常規(guī) 的kg級下降至幾十g乃至幾g）；功耗低（降至mW乃 至更低的水平）。采用微機械

2、加工技術(shù)制備，敏感 元件材料以硅為主。 u微傳感器分類：微傳感器分類：按檢測對象可分為物理 量傳感器、化學(xué)量傳感器、生物量傳感器。 u物理量傳感器包括：物理量傳感器包括：力學(xué)量傳感器(如 壓力傳感器、加速度傳感器)等；光學(xué)量傳 感器(如圖像傳感器、紅外線傳感器等)； 熱學(xué)量傳感器(如溫度傳感器)、聲學(xué)量傳 感器、磁學(xué)量傳感器等。 u 在壓力微傳感器中，感受壓力的彈性元件一 般是硅膜，傳統(tǒng)的壓力傳感器大多采用金屬膜。 u 壓力微傳感器具有廣泛的應(yīng)用范圍，例如，汽 車中輪胎系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)的壓力測 量等。 u 常見的壓力微傳感器可分為：電阻式、電容式、 諧振式和壓電式微壓力傳感器 壓力壓力

3、微微傳感器傳感器 原理：原理：當(dāng)壓力作用在膜片上時，膜片產(chǎn)生變形，電阻值變當(dāng)壓力作用在膜片上時，膜片產(chǎn)生變形，電阻值變 化，電橋失衡，失衡量和被測壓力成化，電橋失衡，失衡量和被測壓力成比例比例，用微電路檢測，用微電路檢測 出這種電阻變化，即可測出壓力變化。出這種電阻變化，即可測出壓力變化。 優(yōu)點：優(yōu)點：被測壓力被測壓力和電阻變化之間有和電阻變化之間有很好的線性關(guān)系。很好的線性關(guān)系。 缺點：缺點：壓敏電阻壓敏電阻隨溫度的變化明顯，應(yīng)用時必須做溫度補償。隨溫度的變化明顯，應(yīng)用時必須做溫度補償。 電阻式電阻式壓力壓力微微傳感器傳感器 電阻式電阻式壓力壓力微微傳感器傳感器 電容式電容式壓力微傳感器壓力

4、微傳感器 原理：原理：當(dāng)膜片感受壓力作用彎曲時，電容器的極板間距改當(dāng)膜片感受壓力作用彎曲時，電容器的極板間距改 變而引起電容變化，其變化量與被測壓力相對應(yīng)，從而得變而引起電容變化，其變化量與被測壓力相對應(yīng)，從而得 知被測壓力。知被測壓力。 特點：特點：與硅壓阻式壓力傳感器相比，硅電容式壓力傳感器與硅壓阻式壓力傳感器相比，硅電容式壓力傳感器 的靈敏度高，功耗低。而且輸出隨溫度的變化小，因此具的靈敏度高，功耗低。而且輸出隨溫度的變化小，因此具 有了好的輸出重復(fù)性和穩(wěn)定性，更適合于有了好的輸出重復(fù)性和穩(wěn)定性，更適合于低壓量程測量低壓量程測量。 特點：特點：與膜片式硅電容壓力傳感器相比，具有與膜片式硅

5、電容壓力傳感器相比，具有硬中心的硅硬中心的硅 電容電容壓力傳感器，更有利于極板間敏感電容的變化處處相壓力傳感器，更有利于極板間敏感電容的變化處處相 等。等。 參考電容：參考電容：不會隨壓力而改變，因此可以用來對微傳感器不會隨壓力而改變，因此可以用來對微傳感器 的溫度特性進(jìn)行補償。的溫度特性進(jìn)行補償。 電容式電容式壓力壓力微傳感器微傳感器 原理：原理：硅諧振式壓硅諧振式壓 力傳感器是基于力傳感器是基于梁梁 的諧振頻率隨壓力的諧振頻率隨壓力 變化而改變變化而改變的函數(shù)的函數(shù) 關(guān)系，確定被測壓關(guān)系，確定被測壓 力。諧振梁由力。諧振梁由靜電靜電 激勵激勵而發(fā)生諧振。而發(fā)生諧振。 當(dāng)諧振梁受氣體當(dāng)諧振梁

6、受氣體壓壓 力作用時，其剛度力作用時，其剛度 改變，引起頻率增改變，引起頻率增 加加，則頻率的增加，則頻率的增加 量對應(yīng)被測壓力。量對應(yīng)被測壓力。 諧振式諧振式壓力壓力微傳感器微傳感器 固定電極固定電極 諧振式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖諧振式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 在在諧振梁諧振梁和和固定電固定電 極之間施加極之間施加正弦電正弦電 壓信號壓信號就可使梁共就可使梁共 振，由梁上的壓敏振，由梁上的壓敏 電阻提供反饋。施電阻提供反饋。施 加在加在下層晶片薄膜下層晶片薄膜 上的壓力增加了共上的壓力增加了共 振梁的張力振梁的張力，就象，就象 調(diào)緊吉他弦一樣，調(diào)緊吉他弦一樣， 這就增加了它的共這就增加了它的共 振頻率。振

7、頻率。 諧振式諧振式壓力壓力微傳感器微傳感器 固定電極固定電極 諧振式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖諧振式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖 諧振諧振式式壓力壓力微傳感器微傳感器 激振方式有激振方式有 : 靜電激振、靜電激振、 電磁激振、電熱激振、激電磁激振、電熱激振、激 光激振等光激振等 ; 拾振方式有拾振方式有: 電容拾振、電磁拾振、壓阻拾振及激光電容拾振、電磁拾振、壓阻拾振及激光 拾振等。拾振等。 諧振式壓力傳感器閉環(huán)系統(tǒng)示意圖諧振式壓力傳感器閉環(huán)系統(tǒng)示意圖 諧振諧振式式壓力壓力微傳感器微傳感器 特點：特點： l硅壓阻式和硅電容式傳感器為開環(huán)模式工作，而硅諧硅壓阻式和硅電容式傳感器為開環(huán)模式工作，而硅諧 振式為振式為閉

8、環(huán)模式工作閉環(huán)模式工作，這樣受電路參數(shù)變化的影響很，這樣受電路參數(shù)變化的影響很 小。小。 l測量測量精度、穩(wěn)定性精度、穩(wěn)定性及測試及測試分辨率分辨率均優(yōu)于壓阻式和電容均優(yōu)于壓阻式和電容 式微傳感器式微傳感器1個數(shù)量級。壓阻式和電容式的精度通常個數(shù)量級。壓阻式和電容式的精度通常 達(dá)到達(dá)到0.1%左右，而諧振式通常達(dá)到左右，而諧振式通常達(dá)到0.01%。 l直接輸出頻率量，直接輸出頻率量，無需無需A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，方便的與數(shù)字系統(tǒng)，方便的與數(shù)字系統(tǒng) 連接。連接。 l對溫度不敏感，并且具有很好的對溫度不敏感，并且具有很好的線性輸入輸出關(guān)系線性輸入輸出關(guān)系。 加速度微傳感器加速度微傳感器 n研制最早和最多

9、的是利用硅壓阻效應(yīng)、壓電效 應(yīng)及電容效應(yīng)的硅加速度微傳感器。而利用諧 振技術(shù)研制的硅諧振式加速度微傳感器是最具 發(fā)展?jié)摿Φ男滦臀⒓铀俣葌鞲衅?，具有較高的 分辨率和靈敏度。 n高性能的硅加速度傳感器在導(dǎo)航、微重力、聲 及地震測量、汽車工業(yè)的安全氣囊、自動剎車 等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 電阻式電阻式加速度加速度微傳感器微傳感器 壓阻式微加速度傳感器原理示意圖壓阻式微加速度傳感器原理示意圖 工作原理及結(jié)構(gòu)特點：工作原理及結(jié)構(gòu)特點： 原理：原理：慣性質(zhì)量塊由懸慣性質(zhì)量塊由懸 臂梁支撐，在加速度臂梁支撐，在加速度a a慣慣 性場中，由于慣性力的性場中，由于慣性力的 作用，作用，質(zhì)量塊上下運動，質(zhì)量塊上下運動，

10、 使懸臂梁上的壓敏電阻使懸臂梁上的壓敏電阻 阻值發(fā)生與加速度阻值發(fā)生與加速度a a成正成正 比的變化比的變化，通過測量電，通過測量電 橋輸出電壓的變化，從橋輸出電壓的變化，從 而得到加速度。而得到加速度。 電阻式電阻式加速度微加速度微傳感器傳感器 壓阻式微加速度傳感器原理示意圖壓阻式微加速度傳感器原理示意圖 特點：特點：由于懸臂梁的根部由于懸臂梁的根部 應(yīng)變量最大，所以為提高應(yīng)變量最大，所以為提高 傳感器的靈敏度，傳感器的靈敏度，應(yīng)變電應(yīng)變電 阻制作在靠近懸臂梁根部阻制作在靠近懸臂梁根部 的位置的位置。 這種傳感器是應(yīng)用于測量這種傳感器是應(yīng)用于測量 心臟壁的微型加速度傳感心臟壁的微型加速度傳感

11、 器，它的外形尺寸為器，它的外形尺寸為 2mm2mm3mm3mm0.6mm0.6mm，質(zhì)量，質(zhì)量 為為0.028g0.028g。 最大最大優(yōu)點優(yōu)點：可以測量低頻加速度。：可以測量低頻加速度。 缺點缺點 ：溫度效應(yīng)嚴(yán)重，需要通過溫度控：溫度效應(yīng)嚴(yán)重，需要通過溫度控 制電路對溫度效應(yīng)進(jìn)行補償制電路對溫度效應(yīng)進(jìn)行補償; 分辨率較低，一般只能到分辨率較低，一般只能到0.01 m/s2左右，左右， 要繼續(xù)提高分辨率，難度很大。要繼續(xù)提高分辨率，難度很大。 電阻式電阻式加速度加速度微傳感器微傳感器 電容式電容式加速度加速度微傳感器微傳感器 原理原理：當(dāng)加速度作：當(dāng)加速度作 用在質(zhì)量塊上，產(chǎn)用在質(zhì)量塊上，產(chǎn)

12、 生的生的慣性力使質(zhì)量慣性力使質(zhì)量 塊發(fā)生位移，導(dǎo)致塊發(fā)生位移，導(dǎo)致 電容極板間距發(fā)生電容極板間距發(fā)生 變化，使電容大小變化，使電容大小 改變，改變，通過檢測電通過檢測電 容的變化量，就可容的變化量，就可 以得到輸入加速度以得到輸入加速度 的信息。的信息。 懸浮支架懸浮支架 加速度加速度 固定支架固定支架 導(dǎo)電電極導(dǎo)電電極 襯底襯底 質(zhì)量塊質(zhì)量塊 電容微加速度計結(jié)構(gòu)電容微加速度計結(jié)構(gòu) 電容式電容式加速度加速度微傳感器微傳感器 實際上實際上,電容值與極板間距并不成正比電容值與極板間距并不成正比，存在誤差，存在誤差， 導(dǎo)致電容變化和輸入加速度呈現(xiàn)非線性關(guān)系。為解導(dǎo)致電容變化和輸入加速度呈現(xiàn)非線性關(guān)

13、系。為解 決這一不利因素，通常有兩種方法來改善決這一不利因素，通常有兩種方法來改善: 懸浮支架懸浮支架 加速度加速度 固 定 支固 定 支 架架 導(dǎo)電電極導(dǎo)電電極 襯底襯底 質(zhì)量質(zhì)量 塊塊 電容微加速度計結(jié)構(gòu)電容微加速度計結(jié)構(gòu) 采用采用力平衡反饋閉環(huán)系統(tǒng)力平衡反饋閉環(huán)系統(tǒng)，設(shè)，設(shè) 立反饋電極，將輸出電容信號轉(zhuǎn)立反饋電極，將輸出電容信號轉(zhuǎn) 化為電壓信號加載在反饋電極上化為電壓信號加載在反饋電極上 產(chǎn)生一個與質(zhì)量塊加速度力方向產(chǎn)生一個與質(zhì)量塊加速度力方向 相反的力，使質(zhì)量塊重新恢復(fù)到相反的力，使質(zhì)量塊重新恢復(fù)到 平衡狀態(tài)，此時加載的反饋電壓平衡狀態(tài)，此時加載的反饋電壓 與輸入加速度成正比，通過測試

14、與輸入加速度成正比，通過測試 電壓即可得到加速度的情況電壓即可得到加速度的情況; 采用采用差動電容方式差動電容方式，即，即 質(zhì)量塊在慣性力作用下，質(zhì)量塊在慣性力作用下， 使一個電容增大，同時另使一個電容增大，同時另 一個電容減小，使差動電一個電容減小，使差動電 容并聯(lián)，兩電容相加，總?cè)莶⒙?lián)，兩電容相加，總 輸出電容變化量就可以近輸出電容變化量就可以近 似認(rèn)為與極板間距變化量似認(rèn)為與極板間距變化量 成正比。成正比。 差動電容式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖差動電容式加速度微傳感器結(jié)構(gòu)圖 諧振式諧振式加速度加速度微傳感器微傳感器 主要組成部分：主要組成部分：一個質(zhì)量塊一個質(zhì)量塊 、 用于支承整個傳感器的用于支承整個傳感器的 兩對懸臂梁以及兩個雙端固支音叉。對稱布置著兩對懸臂梁以及兩個雙端固支音叉。對稱布置著4 4個拾振個拾振 電極電極和和4 4個激振