第五章微傳感器

1、Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)傳感器概念傳感器概念 傳感器傳感器兩個部分：兩個部分：感受被測量（敏感元件）感受被測量（敏感元件）/ /轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（轉(zhuǎn)換元件）可用輸出信號（轉(zhuǎn)換元件）調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器（電）信號（電）信號ADAD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換/ /放大放大/ /調(diào)制調(diào)制/ /濾波濾波/ /解調(diào)解調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成顯示、記錄或執(zhí)行的能量形式轉(zhuǎn)換成顯示、記錄或執(zhí)行的能量形式 允許的環(huán)境條件允許的環(huán)境條件過載性能過載性能工作壽命工作壽命量程量程 全量程輸出全量程輸出FSOFSO滯變滯變 線性線性 重復(fù)性重復(fù)性 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 閾值閾值 選擇性選擇性

2、 靈敏度靈敏度 響應(yīng)速度響應(yīng)速度 偏置偏置輸出格式輸出格式 分辨能力分辨能力精確性精確性條件與結(jié)果條件與結(jié)果適應(yīng)環(huán)境能力適應(yīng)環(huán)境能力實用尺度實用尺度最早出現(xiàn)、市場值最大、發(fā)展最快最早出現(xiàn)、市場值最大、發(fā)展最快 微型化，更重要是利用微效應(yīng)（尺度、材料）提高性能微型化，更重要是利用微效應(yīng)（尺度、材料）提高性能 大多測量原理相同或類似，產(chǎn)生許多新傳感原理大多測量原理相同或類似，產(chǎn)生許多新傳感原理 分類、信息與能量傳輸方式上相同，制造方式不同分類、信息與能量傳輸方式上相同，制造方式不同按被測能量形式：按被測能量形式：機械機械/ /電學(xué)電學(xué)/ /磁學(xué)磁學(xué)/ /熱學(xué)熱學(xué)/ /聲學(xué)聲學(xué)/ /光學(xué)光學(xué)/ /輻

3、射輻射/ /化學(xué)化學(xué)/ /生物生物 傳感器分類傳感器分類 有源有源(active(active，例如壓電，例如壓電) )、無源（、無源（positivepositive，例如熒光），例如熒光） 測量物理量測量物理量形變形變/ /位移位移 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征膜片、梁膜片、梁，原，原因因 材料材料硅硅，原因，原因 傳感器按測量參數(shù)分類傳感器按測量參數(shù)分類壓力、加速度、角速度壓力、加速度、角速度、直線、直線或角位移或角位移 敏感機理敏感機理壓電、壓阻、壓電、壓阻、電容、電感、諧振電容、電感、諧振原理原理壓電電阻效應(yīng)壓電電阻效應(yīng)；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改變電子；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改變電子遷移率和載流子密度。

4、遷移率和載流子密度。 壓阻系數(shù)（壓阻系數(shù)（n nm m）矩陣）矩陣特點：特點：溫漂大；溫漂大；電阻最大變化率為電阻最大變化率為5%5%，靈敏度不是很高靈敏度不是很高；結(jié)構(gòu)簡單可靠結(jié)構(gòu)簡單可靠 應(yīng)用方式應(yīng)用方式多為推拉信號的橋式結(jié)構(gòu)多為推拉信號的橋式結(jié)構(gòu)壓電檢測原理與特點壓電檢測原理與特點 原理原理壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)/ /逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（n nm m）矩陣）矩陣 其簡化考慮其簡化考慮 主要壓電常數(shù)主要壓電常數(shù)d33d33、d31d31 特點：特點：分辨率高分辨率高（測基因）、響應(yīng)快、（測基因）、響應(yīng)快、工藝兼容性工藝兼容性 應(yīng)用：麥克風(fēng)、超聲傳感器、壓力傳感器、位移變形應(yīng)

5、用：麥克風(fēng)、超聲傳感器、壓力傳感器、位移變形iijiDdEjjijiSYTd E原理原理膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變激勵方法激勵方法電阻熱、靜電、壓電、電磁、光熱等電阻熱、靜電、壓電、電磁、光熱等檢測方法檢測方法電阻、電容、壓電、電磁、光等電阻、電容、壓電、電磁、光等 特點：特點： 直接輸出頻率直接輸出頻率數(shù)字量數(shù)字量，無需，無需A/DA/D轉(zhuǎn)換，直接與數(shù)字系轉(zhuǎn)換，直接與數(shù)字系統(tǒng)聯(lián)接；閉環(huán)工作，性能主要取決于諧振子的機械性質(zhì)，統(tǒng)聯(lián)接；閉環(huán)工作，性能主要取決于諧振子的機械性質(zhì)，受受電路參數(shù)（如電漂移、噪聲等）變化的影響很小電路參數(shù)（如電漂移、噪聲等）變化的影響

6、很小，測量精度、，測量精度、穩(wěn)定性及測量分辨率均較優(yōu)。穩(wěn)定性及測量分辨率均較優(yōu)。 電容檢測原理與特點電容檢測原理與特點原理簡單原理簡單 特點：特點：零漂小零漂小、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、非接觸測量。非接觸測量。對于側(cè)面力的測量靈敏度較差、電容變化值大所以對于側(cè)面力的測量靈敏度較差、電容變化值大所以靈敏度靈敏度高高；易受雜散電容干擾，所以；易受雜散電容干擾，所以須立即轉(zhuǎn)換成電壓信號須立即轉(zhuǎn)換成電壓信號 主要結(jié)構(gòu)特征主要結(jié)構(gòu)特征- -膜片、雙固梁；敏感機理膜片、雙固梁；敏感機理- -壓阻、電容、諧振壓阻、電容、諧振1 1、電容效應(yīng)壓力微傳感器、電容效應(yīng)壓力微傳感器 結(jié)構(gòu)：敏感電

7、容結(jié)構(gòu)：敏感電容CsenCsen、參考電容、參考電容CrefCref。改進結(jié)構(gòu)：使改進結(jié)構(gòu)：使CsenCsen變化處處相等變化處處相等結(jié)構(gòu)參數(shù)量級：方膜片結(jié)構(gòu)參數(shù)量級：方膜片2mm2mm2mm2mm、厚度、厚度20m20m，極板間隙，極板間隙1m1m測量電容值測量電容值0.1-10pF0.1-10pF，改變量更微小，改變量更微小 由于所測電容值很小，對測量放大電路的要求與措施：由于所測電容值很小，對測量放大電路的要求與措施：必須具有很小電容必須具有很小電容集成制作集成制作必須具有很低的溫度漂移必須具有很低的溫度漂移采用差動結(jié)構(gòu)方案，對輸入的采用差動結(jié)構(gòu)方案，對輸入的雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏

8、感，因為同向變化雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏感，因為同向變化特點特點 靈敏度高靈敏度高高于壓阻式高于壓阻式1010倍以上倍以上功耗低功耗低低于壓阻式低于壓阻式2 2個數(shù)量級個數(shù)量級溫漂小溫漂小所以重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好所以重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好 測量放大電路測量放大電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)閉環(huán)工作。閉環(huán)工作。R諧振子，諧振子，E激勵器，激勵器，D振動信號檢測器，振動信號檢測器，A放大調(diào)頻電路。諧振頻率（固有頻率）受被測量放大調(diào)頻電路。諧振頻率（固有頻率）受被測量M的調(diào)制。的調(diào)制。 高的機械品質(zhì)因數(shù)高的機械品質(zhì)因數(shù)降低維持能耗降低維持能耗降低因能耗產(chǎn)生的測量誤差，在滿量程里穩(wěn)定振動而不漂移降低因能耗產(chǎn)生的測量誤

9、差，在滿量程里穩(wěn)定振動而不漂移通常方法：在真空中工作通常方法：在真空中工作 2Q諧振結(jié)構(gòu)的總能量每循環(huán)耗散能量結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)北京航空航天大學(xué)微機械傳感技術(shù)實驗室，電阻北京航空航天大學(xué)微機械傳感技術(shù)實驗室，電阻熱激勵、電阻檢測式。工藝解釋熱激勵、電阻檢測式。工藝解釋 性能性能實用的精度已能達到實用的精度已能達到0.01% 0.01% 主要結(jié)構(gòu)特征主要結(jié)構(gòu)特征- -懸臂梁；敏感機理懸臂梁；敏感機理- -壓阻、電容、諧振壓阻、電容、諧振1 1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器、諧振效應(yīng)加速度微傳感器 原理、結(jié)構(gòu)（參數(shù)量級例：敏感質(zhì)量原理、結(jié)構(gòu)（參數(shù)量級例：敏感質(zhì)量1.55mm1.55mm2mm2mm0.3mm0.3

10、mm，支撐梁支撐梁350m350m200m200m22m22m，諧振梁，諧振梁700m700m200m200m5.5m5.5m。固有頻。固有頻率約率約1.5kHz1.5kHz）激勵、檢測方法激勵、檢測方法 梁的頻率設(shè)計梁的頻率設(shè)計比系統(tǒng)高出幾十倍比系統(tǒng)高出幾十倍諧振梁結(jié)構(gòu)、模態(tài)選擇諧振梁結(jié)構(gòu)、模態(tài)選擇支撐梁結(jié)構(gòu)特征、雙支撐的目的支撐梁結(jié)構(gòu)特征、雙支撐的目的 交叉軸加速度解耦交叉軸加速度解耦 氣體壓膜阻尼氣體壓膜阻尼 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則結(jié)構(gòu)設(shè)計原則 分辨率指標(biāo)分辨率指標(biāo)分辨位移約為分辨位移約為 加速度約為加速度約為0.1 0.1 45 10nm/Hz/gHz 加速度值大加速度值大侵徹武器侵徹武器2 2

11、10105 5g g 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快汽車安全氣囊，汽車安全氣囊，msms時間內(nèi)完成反應(yīng)時間內(nèi)完成反應(yīng) 可靠性高可靠性高適用要求適用要求 可靠性的措施可靠性的措施陣列式陣列式 電子科技大學(xué)成果電子科技大學(xué)成果8 8個相同的硅懸臂梁個相同的硅懸臂梁壓阻效應(yīng)，懸臂梁根部擴散電阻，壓阻效應(yīng)，懸臂梁根部擴散電阻，同時將惠斯頓電橋擴散在同一芯片同時將惠斯頓電橋擴散在同一芯片能夠測試能夠測試1.131.1310105 5g g加速度加速度 作為微執(zhí)行器的特點作為微執(zhí)行器的特點 原理、結(jié)構(gòu)原理、結(jié)構(gòu) 采用該原理的原因采用該原理的原因 性能特點性能特點 目的：脈沖寬度調(diào)制信號的占空目的：脈沖寬度調(diào)制信號的

12、占空比與加速度成正比比與加速度成正比 控制電路控制電路 靈敏度很高靈敏度很高低頻微弱加速度低頻微弱加速度 精度高精度高滿足慣性導(dǎo)航要求滿足慣性導(dǎo)航要求 量程較小量程較小 主振動主振動繞繞z z旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)yy方向交方向交變的哥氏力變的哥氏力FcFc形成輔振動形成輔振動檢測檢測y(t)y(t)，幅值與繞，幅值與繞z z旋轉(zhuǎn)角速旋轉(zhuǎn)角速度的大小成比例，相位與繞度的大小成比例，相位與繞z z旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)方向有關(guān)2 ()czcFmv 陀螺技術(shù)發(fā)展陀螺技術(shù)發(fā)展機械轉(zhuǎn)子陀螺儀機械轉(zhuǎn)子陀螺儀激光陀螺、半球諧振陀螺激光陀螺、半球諧振陀螺光光纖陀螺纖陀螺MMG現(xiàn)狀現(xiàn)狀 完全軸對稱諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放完全軸對稱

13、諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放 消除驅(qū)動、檢測運動的動平衡差異消除驅(qū)動、檢測運動的動平衡差異 相對制造精度相對制造精度靜電激勵和電容檢測靜電激勵和電容檢測 信號檢測電路信號檢測電路 高高Q Q值值 激勵和檢測技術(shù)激勵和檢測技術(shù)引入納米制造技術(shù)的前景引入納米制造技術(shù)的前景 真空容腔內(nèi)振動真空容腔內(nèi)振動分辨率分辨率1010-18-18F F、強抗干擾能力、強抗干擾能力 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)特點 理想的完全軸對稱理想的完全軸對稱制造容易制造容易穩(wěn)定、抗干擾強穩(wěn)定、抗干擾強 原理原理 材料特點材料特點已達慣導(dǎo)級指標(biāo)已達慣導(dǎo)級指標(biāo)球直徑球直徑60-150mm60-150mm 現(xiàn)狀現(xiàn)狀 發(fā)展成發(fā)展成MMG存在的問題存在的

14、問題閾值低、靈敏度高閾值低、靈敏度高特點特點實現(xiàn)宏觀流量點控制、適合于微流量系統(tǒng)實現(xiàn)宏觀流量點控制、適合于微流量系統(tǒng)精確的流量、流速控制精確的流量、流速控制尺度小尺度小熱風(fēng)速微傳感器熱風(fēng)速微傳感器 聲、光、電、磁、熱等聲、光、電、磁、熱等 特點特點 結(jié)構(gòu)尺寸小結(jié)構(gòu)尺寸小與與ICIC兼容性好（工藝、材料、工作條件）兼容性好（工藝、材料、工作條件）電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)/ /磁場電效應(yīng)磁場電效應(yīng)/ /核子效應(yīng)核子效應(yīng)/ /超超導(dǎo)量子干涉導(dǎo)量子干涉/ /磁致伸縮磁致伸縮/ /磁光效應(yīng)等磁光效應(yīng)等 物理原理物理原理特別有利于微型化特別有利于微型化 傳統(tǒng)應(yīng)用傳統(tǒng)應(yīng)用磁強針，磁羅盤、電流探測器、磁讀出磁強針，磁

15、羅盤、電流探測器、磁讀出頭以及無刷電機中的轉(zhuǎn)子位置探測器等頭以及無刷電機中的轉(zhuǎn)子位置探測器等 提高靈敏度提高靈敏度 降低漂移降低漂移 霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件 MEMS霍爾器件結(jié)構(gòu)與原理霍爾器件結(jié)構(gòu)與原理 應(yīng)用情況與問題應(yīng)用情況與問題 鐵磁性薄膜磁阻元件鐵磁性薄膜磁阻元件/ /半導(dǎo)體磁阻元件半導(dǎo)體磁阻元件 原理原理 電阻率與磁場關(guān)系推導(dǎo)電阻率與磁場關(guān)系推導(dǎo) 20()(/)ysR HRR HH 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)磁阻金屬或合金制成矩形薄膜，在無外磁場時磁矩沿著長磁阻金屬或合金制成矩形薄膜，在無外磁場時磁矩沿著長度度x x方向（易軸方向），外加磁場沿薄膜的寬度方向（易軸方向），外

16、加磁場沿薄膜的寬度y y方向等方向等材料在磁場中表現(xiàn)出的電阻率各向異性材料在磁場中表現(xiàn)出的電阻率各向異性存在問題：非線形關(guān)系存在問題：非線形關(guān)系施加偏場的方法施加偏場的方法解決線性化問題解決線性化問題重要用途重要用途磁盤驅(qū)動器中磁盤驅(qū)動器中的讀出磁頭的讀出磁頭 器件發(fā)展器件發(fā)展MR-GMR-MI靈敏度指標(biāo)靈敏度指標(biāo) %/Oe%/Oe 原理原理固有狀態(tài)固有狀態(tài)在外加磁場信號的影響在外加磁場信號的影響通過分析脈沖的相位變化，可測通過分析脈沖的相位變化，可測量外加磁場的大小量外加磁場的大小最常用的形式：讀出偶次諧波，最常用的形式：讀出偶次諧波，傅里葉分析出結(jié)果傅里葉分析出結(jié)果 特點特點直流或很低頻率

17、直流或很低頻率高靈敏度高靈敏度1010-10-10T T MEMS MEMS磁通門結(jié)構(gòu)磁通門結(jié)構(gòu)材料選用材料選用 線圈線圈/ /磁芯磁芯/ /絕緣層絕緣層/ /基底基底注意工藝結(jié)構(gòu)特點注意工藝結(jié)構(gòu)特點分析工藝兼容性分析工藝兼容性磁阻元件磁阻元件參數(shù)變化比大參數(shù)變化比大頻率高頻率高重要用途：磁盤驅(qū)動器中的讀出磁頭重要用途：磁盤驅(qū)動器中的讀出磁頭霍爾器件霍爾器件靈敏度、精度、頻率一般靈敏度、精度、頻率一般結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、成本低結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、成本低適合于電機等普通場合適合于電機等普通場合磁微傳感器應(yīng)用磁微傳感器應(yīng)用磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、汽車和潛艇）磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)

18、星、汽車和潛艇）位置傳感位置傳感非接觸型流速計非接觸型流速計非接觸型電流測量非接觸型電流測量金屬物體探測金屬物體探測古磁學(xué)測量古磁學(xué)測量磁性油墨的讀出等磁性油墨的讀出等 磁通門磁通門靈敏度最高靈敏度最高成本高成本高適合高精度傳感（例如導(dǎo)航）適合高精度傳感（例如導(dǎo)航）微型化成本降低則前景很好微型化成本降低則前景很好工作原理工作原理 / /溫度系數(shù)溫度系數(shù) / /線性化線性化 三個熱電效應(yīng)原理三個熱電效應(yīng)原理 塞貝克塞貝克See-back 珀耳貼珀耳貼Peltier 湯普森湯普森Thompson 普通熱電偶原理普通熱電偶原理 理想?yún)⒖冀Y(jié)點熱電偶測量原理理想?yún)⒖冀Y(jié)點熱電偶測量原理 2 2、熱電偶、熱

19、電偶 商品化的商品化的ICIC精密溫度傳感器精密溫度傳感器 量熱傳感器量熱傳感器 鉍鉍- -銻結(jié)陣列薄膜熱電偶式傳感器銻結(jié)陣列薄膜熱電偶式傳感器基于熱電偶原理的酵素微傳感器基于熱電偶原理的酵素微傳感器 3 3、其他新原理溫度傳感器、其他新原理溫度傳感器 4 4、溫度傳感作為其他傳感器的基礎(chǔ)、溫度傳感作為其他傳感器的基礎(chǔ) 再述微流速計例再述微流速計例 材料選擇材料選擇 鐵鐵/康銅，鉑康銅，鉑/鉑鉑-10%銠，半導(dǎo)體銠，半導(dǎo)體/金屬金屬熱電偶堆（熱電偶堆（thermopile） 靈敏度，紅外輻射（靈敏度，紅外輻射（IR）無源傳感器無源傳感器 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)真空光電管、光電倍增管等真空光電管、

20、光電倍增管等 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)真空光電管、光電倍增管等真空光電管、光電倍增管等 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體光敏電阻，當(dāng)光輻射時半導(dǎo)半導(dǎo)體光敏電阻，當(dāng)光輻射時半導(dǎo)體材料電子和空穴增殖體材料電子和空穴增殖 光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）光電池光電池/ /太陽能電池類；太陽能電池類；光敏晶體管類（光敏二極管光敏晶體管類（光敏二極管/ /三級管、三級管、PINPIN光敏三級管、光敏三級管、肖特基勢壘光敏二極管、雪崩光敏二極管（肖特基勢壘光敏二極管、雪崩光敏二極管（APDAPD）等）等 特點特點直接利用材料光直接利用材料光- -電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng) 優(yōu)點：優(yōu)點：靈敏度高、電

21、絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕等耐高溫、體積小、重量輕等應(yīng)用靈活、適應(yīng)面廣，開應(yīng)用靈活、適應(yīng)面廣，開辟了很大應(yīng)用空間辟了很大應(yīng)用空間 既傳光，也是敏感元件既傳光，也是敏感元件 光纖內(nèi)光傳輸特性受被測物理量作用（例如材料機械變光纖內(nèi)光傳輸特性受被測物理量作用（例如材料機械變形）而發(fā)生變化，使光的屬性（光強、相位、偏振態(tài)、波形）而發(fā)生變化，使光的屬性（光強、相位、偏振態(tài)、波長等）被調(diào)制。長等）被調(diào)制。探測的對象往往不是光，嚴(yán)格地講各屬于探測的對象往往不是光，嚴(yán)格地講各屬于機械量等傳感器。機械量等傳感器。 傳感型傳感型 傳光型傳光型

22、 嚴(yán)格地講不是傳感器原理，而只是一種傳輸光線結(jié)構(gòu)嚴(yán)格地講不是傳感器原理，而只是一種傳輸光線結(jié)構(gòu) 實例包括：水下聲波傳感器、光纖微彎曲傳感器、耦合波實例包括：水下聲波傳感器、光纖微彎曲傳感器、耦合波導(dǎo)傳感器、移動光纖水聽器、光柵傳感器、偏振傳感器及導(dǎo)傳感器、移動光纖水聽器、光柵傳感器、偏振傳感器及全內(nèi)反射傳感器等全內(nèi)反射傳感器等 光強傳感型光強傳感型 光纖陀螺儀、聲傳感器、光纖光磁傳感器（通過磁致伸縮材光纖陀螺儀、聲傳感器、光纖光磁傳感器（通過磁致伸縮材料外殼轉(zhuǎn)換）等。料外殼轉(zhuǎn)換）等。經(jīng)過特殊摻雜或表面涂層的光纖經(jīng)過特殊摻雜或表面涂層的光纖機械量傳感器（加速度機械量傳感器（加速度計，測量液面位置

23、、形變、位移、力矩、流量的探測器）；計，測量液面位置、形變、位移、力矩、流量的探測器）；輻射劑量測定儀、電流傳感器、溫度傳感器；輻射劑量測定儀、電流傳感器、溫度傳感器；光（相位）干涉?zhèn)鞲行凸猓ㄏ辔唬└缮鎮(zhèn)鞲行?（光纖傳感型中）（光纖傳感型中） 微型化在生化成分檢測中的優(yōu)勢微型化在生化成分檢測中的優(yōu)勢突破宏觀檢測閾值突破宏觀檢測閾值微小電極對微小樣品，即使樣品電微小電極對微小樣品，即使樣品電導(dǎo)率很小，極小電流也能形成有效的歐姆電壓導(dǎo)率很小，極小電流也能形成有效的歐姆電壓電極微小，電流輸出受對溶液流動不敏感電極微小，電流輸出受對溶液流動不敏感 電容式接地的電流與表面積成正比，從而改善信噪比電容式接

24、地的電流與表面積成正比，從而改善信噪比微電極的響應(yīng)快速微電極的響應(yīng)快速一般尺度效應(yīng)一般尺度效應(yīng)形成許多新的檢測原理形成許多新的檢測原理實現(xiàn)微量樣本的檢測實現(xiàn)微量樣本的檢測薄膜、薄膜、 微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分電極浸入生化液體電極浸入生化液體封裝特點封裝特點需要一塊暴露區(qū)域，為提高效果希望接觸面積大需要一塊暴露區(qū)域，為提高效果希望接觸面積大需要考慮環(huán)境損傷問題需要考慮環(huán)境損傷問題影響封裝完整性，增大封裝難度影響封裝完整性，增大封裝難度 SnO SnO2 2氧化物活性材料是一種氧化物活性材料是一種N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 較高溫度時，空氣氧接受由較高溫度時，空氣氧接受由N N

25、型型SnOSnO2 2薄膜提供的電子成為薄膜提供的電子成為陰性粒子陰性粒子 還原性氣體將與原先吸附的氧陰離子發(fā)生反應(yīng)而帶正電，還原性氣體將與原先吸附的氧陰離子發(fā)生反應(yīng)而帶正電，或者還原性氣體與吸附的氧原子發(fā)生反應(yīng)而釋放束縛電子或者還原性氣體與吸附的氧原子發(fā)生反應(yīng)而釋放束縛電子 材料材料氧化物半導(dǎo)體，氧化物半導(dǎo)體，SnOSnO2 2基最常用基最常用 大氣污染、有害氣氛等檢測大氣污染、有害氣氛等檢測一氧化碳、硫化氫等一氧化碳、硫化氫等 火災(zāi)檢測與燃燒控制火災(zāi)檢測與燃燒控制低濃度可燃氣體或一氧化碳、低濃度可燃氣體或一氧化碳、氫、甲烷等還原性氣體氫、甲烷等還原性氣體 有毒危險氣體的檢漏有毒危險氣體的檢

26、漏 人體檢測人體檢測乙醇、麻醉試劑等乙醇、麻醉試劑等靈敏度高靈敏度高表達法成本低成本低時間響應(yīng)快時間響應(yīng)快低能耗低能耗長期漂移長期漂移選擇性較差選擇性較差 改進摻雜貴金屬易受溫度、濕度干擾易受溫度、濕度干擾gaGSG當(dāng)前主流工藝當(dāng)前主流工藝氮氣攜帶含錫的有機復(fù)合物蒸氣氮氣攜帶含錫的有機復(fù)合物蒸氣與基板表面吸附的氧與基板表面吸附的氧反應(yīng)形成氧化物反應(yīng)形成氧化物高溫退火形成高溫退火形成SnOSnO2 2氣敏膜氣敏膜參數(shù)：膜厚和晶粒尺寸在幾十納米至幾百納米范圍內(nèi)參數(shù)：膜厚和晶粒尺寸在幾十納米至幾百納米范圍內(nèi) CVD法法雙氣體混合反應(yīng)雙氣體混合反應(yīng)蒸發(fā)法蒸發(fā)法 單質(zhì)沉積后再單質(zhì)沉積后再反應(yīng)反應(yīng)純錫金屬

27、（或錫合金）加熱沉積純錫金屬（或錫合金）加熱沉積在含氧氣氛中高溫轉(zhuǎn)在含氧氣氛中高溫轉(zhuǎn)變成氧化物。參數(shù)：膜厚幾百納米量級變成氧化物。參數(shù)：膜厚幾百納米量級 制備條件控制膜厚和晶粒尺寸制備條件控制膜厚和晶粒尺寸決定響應(yīng)時間等性能決定響應(yīng)時間等性能 IC薄膜工藝薄膜工藝用用SnO2粉末燒結(jié)成多孔厚膜粉末燒結(jié)成多孔厚膜 初始工藝初始工藝采用絲網(wǎng)印刷，將氣敏膜印刷到采用絲網(wǎng)印刷，將氣敏膜印刷到AlAl2 2O O3 3基板上基板上活性層的厚度約在幾個微米至幾十個微米之間活性層的厚度約在幾個微米至幾十個微米之間優(yōu)點優(yōu)點氣敏層多孔氣敏層多孔有利于增大接觸面積有利于增大接觸面積傳感元件幾何形狀多樣（例如共面、

28、叉指或夾心型）傳感元件幾何形狀多樣（例如共面、叉指或夾心型） 設(shè)計制作簡單設(shè)計制作簡單厚膜工藝厚膜工藝 IC薄膜工藝形成結(jié)構(gòu)薄膜工藝形成結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體化學(xué)傳感器半導(dǎo)體化學(xué)傳感器離子敏感場效應(yīng)晶離子敏感場效應(yīng)晶體管體管 ISFET基于傳統(tǒng)的電化學(xué)分析原理基于傳統(tǒng)的電化學(xué)分析原理與固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)接觸與固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)接觸多個電極組成的電化學(xué)電池多個電極組成的電化學(xué)電池 原理與結(jié)構(gòu)原理與結(jié)構(gòu)電導(dǎo)電導(dǎo)/ /電容測量電容測量電位測量測量電位測量測量伏伏- -安特性測量安特性測量工作模式工作模式引入新技術(shù)引入新技術(shù)微加工工藝技術(shù)微加工工藝技術(shù)新材料（固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)電高聚物等）新材料（固態(tài)電解質(zhì)、導(dǎo)電高聚物等） 聲學(xué)傳感器聲學(xué)傳感器利用頻率利用頻率MHMHZ Z-GH-GHZ Z的彈性波測量物理、生化量的彈性波測量物理、生化量 固體表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ǎü腆w表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ǎ⊿AWSAW） 在很薄