MEMS微傳感器的工作原理(1)

1、Agenda微傳感器的概念微傳感器的概念微傳感器的分類微傳感器的分類基本敏感原理介紹基本敏感原理介紹微傳感器的實例微傳感器的實例微傳感器的概念微傳感器：基于微傳感器：基于MEMS工藝的工藝的，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)。微傳感器的技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：l量程：測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。l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l線性度：傳感器輸出與

2、輸入之間的線性程度。l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。l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。l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。微傳感器的概念例：某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：M5 mm 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：

3、約20-30Kgf.cm(M5螺紋) 幾何尺寸：四方12mm、高度13.5mm 微傳感器的分類微傳感器的分類按物理參數(shù)分按物理參數(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） 化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)（血糖/電容化學(xué)/化學(xué)機(jī)械）微傳感器的分類微傳感器的分類按傳感機(jī)理分按傳感機(jī)理分壓阻壓電隧道電容諧振熱對流微傳感器的敏感原理微傳感器的敏感原理(1)壓阻敏感原理壓阻敏感原理當(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)稱為化的效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)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

4、阻值發(fā)生變化。ALRdKELLRR21d21dE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壓阻變化的具體過程21 EK 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。21E 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tt1111其中2121212121214412111112nlnmml22212221222144121112t2nnmmll主晶軸坐標(biāo)系下的縱向、橫向及剪切壓阻系

5、數(shù) P型壓敏電阻的變化率為 5103 .668 .71tlttllRRN型壓敏電阻的變化率為 5106 .172 .31tlttllRR壓阻式傳感器輸出信號的檢測一般需要采用惠斯通電橋1R 1R2R 2R3R 3R4R 4R惠斯頓電橋連接圖S+S2- S1-O-O+ioURRU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AC0(2)電容敏感原理電容敏感原理 間隙變化型電容

6、式微傳感器11CC利用泰勒級數(shù)展開，由麥克勞林公式可得 nCC21(2)電容敏感原理電容敏感原理 略除高階無窮小項，得2dSdCKCC這時傳感器的靈敏度和非線性誤差分別為dd100%(2)電容敏感原理電容敏感原理 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：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：01AC02ACACC2112101212CCCC(2)電容敏感原理電容敏感原理 (3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 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

7、膜隧道電流式微傳感器的基本結(jié)構(gòu) 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(0.5 eV，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。bVtI211eVnm25.10dtId(3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 dVIbtexp : 隧道電流，單位為A； : 直流驅(qū)動電壓，單位為V； : 常數(shù)，等于 ； : 有效隧道勢壘高度，單位為eV； : 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d d 變化0.

8、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。bVtI211eVnm25.10tId(3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 dVIbtexp 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(3)隧道電流敏感原理隧道電流敏感原理 (4)壓電敏感原理壓電敏感原理 壓電效應(yīng)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)：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）。(4)壓電敏感

9、原理壓電敏感原理壓電材料的特性常常用電荷靈敏度系數(shù)來表示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)：沿電荷靈敏度系數(shù)：沿i軸在材料表面產(chǎn)生的電荷與沿軸在材料表面產(chǎn)生的電荷與沿j軸軸所加的力所加的力F的關(guān)系的關(guān)系A(chǔ)dFdQijjijAFdVAQCQVrojxijiroX得出兩金屬板間的電壓差(4)壓電敏感原理壓電敏感原理(5)諧振式敏感原理諧振式敏感原理 當(dāng)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/n1.0。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

10、器設(shè)計中被利用。 Howe1987提出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 dxxbhYdxdxxdYFdxdxxYdEILLLn0210021221221 .)(21)(2)(2y(x,t)滿足0),(),(22442ttxyxtxy其中 /EI是梁單位長度的質(zhì)量 (5)諧振式敏感原理諧振式敏感原理(6)熱對流式敏感原理熱對流式敏感原理 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。TJcPQPmmQm壓電材料aCfVoma電極解調(diào) Voma硅尖加熱電阻熱敏電阻VVVoa氣腔傳感器類型測量范圍精度頻響

11、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）對環(huán)境溫度變化敏感壓電敏

12、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微傳感器的實例微傳感器的實例(1)力學(xué)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、振動和沖擊分類分類壓阻式微加速度計電容式微加速度計壓電式微加速度計隧道電流式微加速度計壓阻壓阻式式微加速度計 EIxlPxEIlPxEIxlPxxy2312141361222撓度應(yīng)力IlxPhxxyhExT241d)(d2)(1221 LLsdxxWHydxxEIyw02022 一階固有頻率3322dMKbabaMKc阻尼比壓敏電阻空隙玻璃蓋板質(zhì)量塊導(dǎo)電膠引線第一

13、個微加速度計的剖面結(jié)構(gòu)示意圖梁基座基座東南大學(xué)研制的壓阻式大加速度計，在同一塊芯片上設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)傳感器單懸臂梁和雙懸臂梁結(jié)構(gòu)單懸臂梁微加速度計雙懸臂梁微加速度計東南大學(xué)壓阻式微加速度計樣品SEM（掃描電鏡）照片美國IC Sensor公司生產(chǎn)的壓阻式加速度計電容式電容式懸浮支架 加速度固定支架導(dǎo)電電極襯底質(zhì)量塊a)垂直敏感電容微加速度計結(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結(jié)構(gòu)電容式加速度計的不同敏感電容1) 平行板電容式微加速度計平行板電容式微加速度計 “三明治”結(jié)構(gòu)電容式微加速度計結(jié)構(gòu)硅玻璃玻璃硅硅 平行板結(jié)構(gòu)電容平行板結(jié)構(gòu)電容式微加速度計雖然式微加速度計雖然

14、具有較高的靈敏度具有較高的靈敏度，但是其制作需要，但是其制作需要腐蝕、組裝、鍵合腐蝕、組裝、鍵合等多種工藝，過程等多種工藝，過程復(fù)雜，無法與硅平復(fù)雜，無法與硅平面工藝兼容，難以面工藝兼容，難以實現(xiàn)批量化、低成實現(xiàn)批量化、低成本生產(chǎn)。本生產(chǎn)。 2) 梳狀電容式微加速度計梳狀電容式微加速度計 撓性梁定齒基底位移齒立柱敏感質(zhì)量C1C2 梳狀結(jié)構(gòu)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)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

15、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 壓電式微加速度計壓電式微加速度計 壓電式微加速度計壓電式微加速度計具有測量范圍寬、啟具有測量范圍寬、啟動快、功耗低、直流動快、功耗低、直流供電、抗沖擊振動、供電、抗沖擊振動、可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，可靠性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。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原理示意圖m輸出源極傳感電容比較電容懸臂梁氧化鋅FET放大器Vdd壓電式微加速度計的結(jié)構(gòu)焊盤根切P

16、阱電阻微陀螺儀微陀螺儀n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)動式微陀螺儀線驅(qū)動式微陀螺儀 角驅(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器 壓阻式壓阻式硅薄膜焊盤P型擴(kuò)散壓阻金屬導(dǎo)體N型外延層P型襯底玻璃襯底腐蝕腔壓阻式微壓力傳感器結(jié)構(gòu)氮化硅多晶硅

17、環(huán)境應(yīng)力徑向應(yīng)力壓敏電阻參考壓力外加壓力 壓阻式絕對壓力傳感器電容式電容式 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)薄膜硅硅薄膜上鍵合點(diǎn)上鍵合點(diǎn)襯底上鍵合點(diǎn)絕緣層電極玻璃襯底東京大學(xué)接觸電容式壓力傳感器 諧振式諧振式 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)微型麥克風(fēng) 微麥克風(fēng)測量的是聲壓，要求靈敏度高

18、，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?fù)诫s自停止形成敏感膜和有孔固定電極。清華微電子所研制的微型克風(fēng)，表面工藝與體硅工藝結(jié)合制作，在單片硅片上實現(xiàn)了主要結(jié)構(gòu)，采用紋膜結(jié)構(gòu)提高靈敏度。 微傳感器的實例微傳感器的實例(2)光學(xué)光學(xué)光學(xué)傳感器的原理光學(xué)傳感器的原理 電子吸收光子，從而向高能級躍遷。電子吸收光子，從而向高能級躍遷。能級躍遷的類型：能級躍遷的類型： 1）物體從價帶向?qū)кS遷）物體從價帶向?qū)кS遷光伏效應(yīng)光伏效應(yīng) 2）物體從導(dǎo)帶向價帶躍遷）物體從導(dǎo)帶向價帶躍遷光電效應(yīng)光電效應(yīng) 3）向穩(wěn)定能級的躍遷）向穩(wěn)定能級的躍遷雙折射，克耳與光電效應(yīng)雙折射，克耳與光

19、電效應(yīng) 4）躍遷到中間能級態(tài)和返回到基態(tài)）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）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）。列顯著能級、類似氫的分子）。當(dāng)入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功時，當(dāng)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，稱為就有光電子發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)。l 利用這種效應(yīng)制成的傳感器有真空光電管、光電利用這種效應(yīng)制成的傳感器有真空光電管、光電倍增管等。倍增管等。n當(dāng)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

20、現(xiàn)象稱為內(nèi)內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)。前者稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)，后者稱為伏伏打效應(yīng)打效應(yīng)。l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。u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。u微光學(xué)傳感器已經(jīng)可以測量出光的強(qiáng)度。具有強(qiáng)光電效應(yīng)的固態(tài)材料可用作這種傳感材料。 一種特殊的材料，當(dāng)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：

21、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(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn)）被加熱的情況下產(chǎn)生。熱電偶傳感器熱電偶傳感器微傳感器的實例微傳感器的實例(3)熱學(xué)熱學(xué)熱電偶 在熱電偶電路中另外加一個節(jié)點(diǎn)，并且使其溫度不同于其他節(jié)點(diǎn)的溫度，這樣就可以從電路中引入一個溫度梯度。熱電偶原理微溫度傳感器的一個嚴(yán)重缺點(diǎn)：輸出信號隨著線和節(jié)點(diǎn)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(jī)械梁的橫向位移。21圖 熱雙金屬片彎曲（ ）熱雙層片由在縱向上連在

22、一起的兩種材料構(gòu)成，兩種材料構(gòu)成一個機(jī)械單元。它們有相同的長度，但熱膨脹系數(shù)（CTE)不同( ).當(dāng)溫度均勻變化T時，兩層的長度變化不一樣。梁向熱膨脹系數(shù)較小的材料層一側(cè)彎曲。橫向的梁彎曲由此產(chǎn)生。許多常用的機(jī)電恒溫器都運(yùn)用了這一原理。恒溫器是一個螺旋的雙層金屬線圈。卷絲梁的末端與繼電器連接在一起，繼電器是含水銀的密封玻璃管。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，線圈的末端傾斜并觸發(fā)水銀滴繼電器的移動，從而控制加熱/冷卻電路中的電流。21靜電執(zhí)行熱雙層片執(zhí)行優(yōu)點(diǎn)低頻時低功耗較大的運(yùn)動范圍很快的響應(yīng)速度同等位移下較小的覆蓋面積缺點(diǎn)較小的運(yùn)動范圍因電流產(chǎn)生歐姆熱，工作效率較低需要大的面積和覆蓋區(qū)以產(chǎn)生較大的力和位移因

23、時間常數(shù)受制于加熱和散熱，響應(yīng)速度較慢靜電和熱雙層片執(zhí)行的特點(diǎn)微型磁強(qiáng)計微型磁強(qiáng)計定義：利用MEMS技術(shù)制作的，把磁場強(qiáng)度和方向信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出的器件。微型磁強(qiáng)計按工作原理主要可分為兩大類：電磁效應(yīng)式和機(jī)械式。 微傳感器的實例微傳感器的實例(4)電磁電磁微型磁通門式磁強(qiáng)計磁通門式磁強(qiáng)計由繞向相反的一對激勵線圈和檢測線圈組成。磁芯工作在飽和狀態(tài)。當(dāng)被測磁場為零時，兩個磁芯中的磁通量大小相等，方向相反，在測量線圈中無電壓產(chǎn)生。當(dāng)被測磁場不為零時，在測量線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢。德國于1995年研制的微型磁通門磁強(qiáng)計，利用CMOS工藝制作線圈。尺寸為1mm1mm1um，靈敏度為 9.2mV/uT 微型磁

24、通門式磁強(qiáng)計例（1）日本于1994年研制的三維螺線管線圈，尺寸為4.9mm1mm4m，靈敏度達(dá)到2700V/T，分辨率達(dá)到10-7T微型磁通門式磁強(qiáng)計例（2）機(jī)械式微型磁強(qiáng)計機(jī)械式微型磁強(qiáng)計布有線圈或永磁體的微梁在磁場中受力變形或運(yùn)動，通過測量該變形或運(yùn)動，獲取磁強(qiáng)信息。測量方式有：壓阻式、電容式、隧道效應(yīng)式等。 美國UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撐著一線圈，線圈通上交變電流，在Lorentz作用下梁發(fā)生振動，利用壓敏電阻測量其振幅。分辨率為10-8T，Q為10。諧振式微型磁強(qiáng)計例（諧振式微型磁強(qiáng)計例（1） 表面工藝制作，叉指電極電容檢測真空封裝：0.76Torr，靈敏度：900 00

25、0V/AT 諧振式微型磁強(qiáng)計例（諧振式微型磁強(qiáng)計例（2） B Fz 驅(qū)動電極 隧道針尖 I 電極 氮化硅薄膜 線圈 美國JPL于1996年研制，用于搭載在小衛(wèi)星上，測量地球磁場。分辨率：2.8T/Hz1/2 ，驅(qū)動電壓：120V，尺寸：1cm1cm0.6cm隧道效應(yīng)磁強(qiáng)計例隧道效應(yīng)磁強(qiáng)計例微型磁強(qiáng)計的應(yīng)用微型磁強(qiáng)計的應(yīng)用安全：安全檢測、交通車輛檢測醫(yī)療：核磁共振儀器、導(dǎo)管定位測量工業(yè)：機(jī)器人位置測量、轉(zhuǎn)速編碼器國防：探雷、導(dǎo)航、戰(zhàn)場偵察其它：地質(zhì)勘探微傳感器是構(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 微傳感器的實例微傳感器

26、的實例(5)生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué) 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)傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器生物醫(yī)學(xué)傳感器實例生物醫(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 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

27、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(dāng)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)傳感器所依據(jù)的原理。微傳感器的實例微傳感器的實例(6)化學(xué)化學(xué)材料材料對特定化學(xué)物質(zhì)的敏感性對特定化學(xué)物質(zhì)的敏感性是很多化學(xué)傳感器的基本原理。 有機(jī)聚合物和嵌入的金屬植入物一起使用。當(dāng)這些聚合物暴露在某種氣體下時，可以使金屬的電導(dǎo)發(fā)生變化。例如，一種特殊的聚合物苯二甲

28、藍(lán)和銅一起來檢測氨和二氧化氮?dú)怏w。化學(xué)電阻傳感器化學(xué)電阻傳感器 某些聚合物可以用作電容的電介質(zhì)材料。當(dāng)它們暴露在某種氣體中時，可以使材料的介電常數(shù)發(fā)生變化，從而改變金屬電極間的電容。比如用多乙炔PPA來檢測如CO, CO2, N2 ?；瘜W(xué)電容傳感器化學(xué)電容傳感器 有一些特殊的材料，比如某種聚合物，當(dāng)暴露在有一些特殊的材料，比如某種聚合物，當(dāng)暴露在某種化學(xué)物質(zhì)中的時候，其形狀會發(fā)生變化（包括濕某種化學(xué)物質(zhì)中的時候，其形狀會發(fā)生變化（包括濕度的改變）。我們可以通過測量這種材料的尺寸變化度的改變）。我們可以通過測量這種材料的尺寸變化來檢測這種化學(xué)物質(zhì)。來檢測這種化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)機(jī)械傳感器化學(xué)機(jī)械傳感器 工作原理和化學(xué)電阻式傳感器類似。有些半導(dǎo)工作原理和化學(xué)電阻式傳感器類似。有些半導(dǎo)體金屬，如體金屬，如SnOSnO2 2，當(dāng)吸收了某種氣體后可以改變自身，當(dāng)吸收了某種氣體后可以改變自身的電阻。的電阻。金屬氧化物氣體傳感器金屬氧化物氣體傳感器微型觸覺傳感器微型觸覺傳感器 觸覺傳感器其敏感元觸覺傳感器其敏感元件直接與固體接觸。件直接與固體接觸。荷蘭荷蘭DelftDelft大學(xué)研制的大學(xué)研制的三維電容式觸覺傳感三維電容式觸覺傳感器。器。 微傳感器的