微機(jī)電系統(tǒng)-電子科技大學(xué)課件

微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)選修課程Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)選修課程Micro-Elect1第5章微傳感器微傳感器的基本概念機(jī)械量微傳感器聲/光/電/磁/熱微傳感器生物化學(xué)微傳感器第5章微傳感器微傳感器的基本概念2微傳感器的基本概念傳感器概念傳感器——兩個(gè)部分：感受被測(cè)量（敏感元件）/轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（轉(zhuǎn)換元件）調(diào)節(jié)器——（電）信號(hào)AD轉(zhuǎn)換/放大/調(diào)制/濾波/解調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器——轉(zhuǎn)換成顯示、記錄或執(zhí)行的能量形式微傳感器的基本概念傳感器概念傳感器——兩個(gè)部分：感受被測(cè)量3傳感器的性能允許的環(huán)境條件過載性能工作壽命量程全量程輸出FSO滯變線性重復(fù)性穩(wěn)定性閾值選擇性靈敏度響應(yīng)速度偏置輸出格式分辨能力精確性條件與結(jié)果適應(yīng)環(huán)境能力實(shí)用尺度傳感器的性能允許的環(huán)境條件量程滯變閾值響應(yīng)速度偏4MEMS與宏觀傳感器的比較最早出現(xiàn)、市場(chǎng)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）提高性能大多測(cè)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，制造方式不同按被測(cè)能量形式：機(jī)械/電學(xué)/磁學(xué)/熱學(xué)/聲學(xué)/光學(xué)/輻射/化學(xué)/生物

傳感器分類有源(active，例如壓電)、無(wú)源（positive，例如熒光）MEMS與宏觀傳感器的比較最早出現(xiàn)、市場(chǎng)值最大、發(fā)展最快5第一部分機(jī)械量微傳感器

測(cè)量物理量——形變/位移結(jié)構(gòu)特征——膜片、梁，原因材料——硅，原因傳感器按測(cè)量參數(shù)分類——壓力、加速度、角速度、直線或角位移敏感機(jī)理——壓電、壓阻、電容、電感、諧振第一部分機(jī)械量微傳感器測(cè)量物理量——形變/位移6壓阻檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電電阻效應(yīng)；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改變電子遷移率和載流子密度。壓阻系數(shù)（n×m）矩陣特點(diǎn)：溫漂大；電阻最大變化率為5%，靈敏度不是很高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠應(yīng)用方式——多為推拉信號(hào)的橋式結(jié)構(gòu)壓電檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電效應(yīng)/逆壓電效應(yīng)壓電系數(shù)（n×m）矩陣`其簡(jiǎn)化考慮主要壓電常數(shù)d33、d31特點(diǎn)：分辨率高（測(cè)基因）、響應(yīng)快、工藝兼容性應(yīng)用：麥克風(fēng)、超聲傳感器、壓力傳感器、位移變形壓阻檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電電阻效應(yīng)；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改7諧振檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變激勵(lì)方法——電阻熱、靜電、壓電、電磁、光熱等檢測(cè)方法——電阻、電容、壓電、電磁、光等特點(diǎn)：

直接輸出頻率數(shù)字量，無(wú)需A/D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(jī)械性質(zhì)，受電路參數(shù)（如電漂移、噪聲等）變化的影響很小，測(cè)量精度、穩(wěn)定性及測(cè)量分辨率均較優(yōu)。

電容檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理簡(jiǎn)單特點(diǎn)：零漂小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、非接觸測(cè)量。對(duì)于側(cè)面力的測(cè)量靈敏度較差、電容變化值大所以靈敏度高；易受雜散電容干擾，所以須立即轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)

諧振檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變電8主要結(jié)構(gòu)特征-膜片、雙固梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、電容效應(yīng)壓力微傳感器

結(jié)構(gòu)：敏感電容Csen、參考電容Cref。改進(jìn)結(jié)構(gòu)：使Csen變化處處相等結(jié)構(gòu)參數(shù)量級(jí)：方膜片2mm×2mm、厚度20μm，極板間隙1μm測(cè)量電容值0.1-10pF，改變量更微小一、壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)特征-膜片、雙固梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、91、電容效應(yīng)壓力微傳感器由于所測(cè)電容值很小，對(duì)測(cè)量放大電路的要求與措施：必須具有很小電容——集成制作必須具有很低的溫度漂移——采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，對(duì)輸入的雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏感，因?yàn)橥蜃兓攸c(diǎn)靈敏度高——高于壓阻式10倍以上功耗低——低于壓阻式2個(gè)數(shù)量級(jí)溫漂小——所以重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好測(cè)量放大電路1、電容效應(yīng)壓力微傳感器由于所測(cè)電容值很小，對(duì)測(cè)量放大電路的10結(jié)構(gòu)——閉環(huán)工作。R諧振子，E激勵(lì)器，D振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器，A放大調(diào)頻電路。諧振頻率（固有頻率）受被測(cè)量M的調(diào)制。

高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)降低維持能耗降低因能耗產(chǎn)生的測(cè)量誤差，在滿量程里穩(wěn)定振動(dòng)而不漂移通常方法：在真空中工作2、諧振效應(yīng)壓力微傳感器結(jié)構(gòu)——閉環(huán)工作。R諧振子，E激勵(lì)器，D振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器，A放11結(jié)構(gòu)——北京航空航天大學(xué)微機(jī)械傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，電阻熱激勵(lì)、電阻檢測(cè)式。工藝解釋性能——實(shí)用的精度已能達(dá)到0.01%2、諧振效應(yīng)壓力微傳感器結(jié)構(gòu)——北京航空航天大學(xué)微機(jī)械傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，電阻熱激勵(lì)、電12主要結(jié)構(gòu)特征-懸臂梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器

原理、結(jié)構(gòu)（參數(shù)量級(jí)例：敏感質(zhì)量1.55mm×2mm×0.3mm，支撐梁350m×200m×22m，諧振梁700m×200m×5.5m。固有頻率約1.5kHz）激勵(lì)、檢測(cè)方法二、加速度傳感器主要結(jié)構(gòu)特征-懸臂梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、諧振效13梁的頻率設(shè)計(jì)——比系統(tǒng)高出幾十倍諧振梁結(jié)構(gòu)、模態(tài)選擇支撐梁結(jié)構(gòu)特征、雙支撐的目的交叉軸加速度解耦氣體壓膜阻尼1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則分辨率指標(biāo)——分辨位移約為加速度約為0.1梁的頻率設(shè)計(jì)——比系統(tǒng)高出幾十倍1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器結(jié)14加速度值大——侵徹武器2×105g響應(yīng)速度快——汽車安全氣囊，ms時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)可靠性高2、電阻效應(yīng)加速度微傳感器適用要求可靠性的措施——陣列式電子科技大學(xué)成果8個(gè)相同的硅懸臂梁壓阻效應(yīng)，懸臂梁根部擴(kuò)散電阻，同時(shí)將惠斯頓電橋擴(kuò)散在同一芯片能夠測(cè)試1.13×105g加速度加速度值大——侵徹武器2×105g2、電阻效應(yīng)加速度微傳15作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)原理、結(jié)構(gòu)3、0位平衡式硅電容效應(yīng)加速度微傳感器采用該原理的原因性能特點(diǎn)目的：脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比與加速度成正比控制電路靈敏度很高——低頻微弱加速度精度高——滿足慣性導(dǎo)航要求量程較小——作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)原理、結(jié)構(gòu)3、0位平衡式硅電容效應(yīng)加16三、硅諧振式微陀螺（MMG）諧振式（MMG多采用）原理主振動(dòng)——繞z旋轉(zhuǎn)——y方向交變的哥氏力Fc——形成輔振動(dòng)檢測(cè)y(t)，幅值與繞z旋轉(zhuǎn)角速度的大小成比例，相位與繞z旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)陀螺技術(shù)發(fā)展機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀——激光陀螺、半球諧振陀螺——光纖陀螺——MMG現(xiàn)狀

三、硅諧振式微陀螺（MMG）諧振式（MMG多采用）原理主振動(dòng)17完全軸對(duì)稱諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放——消除驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平衡差異MMG的關(guān)鍵技術(shù)問題相對(duì)制造精度——靜電激勵(lì)和電容檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路高Q值激勵(lì)和檢測(cè)技術(shù)——引入納米制造技術(shù)的前景——真空容腔內(nèi)振動(dòng)——分辨率10-18F、強(qiáng)抗干擾能力完全軸對(duì)稱諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放——消除驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的18結(jié)構(gòu)特點(diǎn)理想的完全軸對(duì)稱制造容易穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)一種較為理想的結(jié)構(gòu)原理材料特點(diǎn)已達(dá)慣導(dǎo)級(jí)指標(biāo)球直徑60-150mm現(xiàn)狀發(fā)展成MMG存在的問題結(jié)構(gòu)特點(diǎn)理想的完全軸對(duì)稱一種較為理想的結(jié)構(gòu)原理材料特19四、流動(dòng)微傳感器應(yīng)用閾值低、靈敏度高特點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)宏觀流量點(diǎn)控制、適合于微流量系統(tǒng)——精確的流量、流速控制尺度小四、流動(dòng)微傳感器應(yīng)用閾值低、靈敏度高特點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)宏觀流量點(diǎn)控20熱風(fēng)速微傳感器典型產(chǎn)品例熱風(fēng)速微傳感器典型產(chǎn)品例21第二部分非機(jī)械物理量微傳感器一、磁微傳感器——聲、光、電、磁、熱等特點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸小與IC兼容性好（工藝、材料、工作條件）電磁感應(yīng)/磁場(chǎng)電效應(yīng)/核子效應(yīng)/超導(dǎo)量子干涉/磁致伸縮/磁光效應(yīng)等物理原理————特別有利于微型化傳統(tǒng)應(yīng)用——磁強(qiáng)針，磁羅盤、電流探測(cè)器、磁讀出頭以及無(wú)刷電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器等

第二部分非機(jī)械物理量微傳感器一、磁微傳感器——聲、光、電221、霍爾器件提高靈敏度降低漂移霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件MEMS霍爾器件結(jié)構(gòu)與原理應(yīng)用情況與問題1、霍爾器件提高靈敏度霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件232、磁阻元件鐵磁性薄膜磁阻元件/半導(dǎo)體磁阻元件原理電阻率與磁場(chǎng)關(guān)系推導(dǎo)結(jié)構(gòu)磁阻金屬或合金制成矩形薄膜，在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁矩沿著長(zhǎng)度x方向（易軸方向），外加磁場(chǎng)沿薄膜的寬度y方向等材料在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的電阻率各向異性——存在問題：非線形關(guān)系2、磁阻元件鐵磁性薄膜磁阻元件/半導(dǎo)體磁阻元件原理24施加偏場(chǎng)的方法——解決線性化問題2、磁阻元件重要用途——磁盤驅(qū)動(dòng)器中的讀出磁頭

器件發(fā)展MR-GMR-MI靈敏度指標(biāo)%/Oe施加偏場(chǎng)的方法2、磁阻元件重要用途器件發(fā)展253、磁通門原理固有狀態(tài)在外加磁場(chǎng)信號(hào)的影響——通過分析脈沖的相位變化，可測(cè)量外加磁場(chǎng)的大小——最常用的形式：讀出偶次諧波，傅里葉分析出結(jié)果特點(diǎn)直流或很低頻率高靈敏度10-10T3、磁通門原理固有狀態(tài)——通過分析脈沖的相位變化，可測(cè)量263、磁通門MEMS磁通門結(jié)構(gòu)材料選用——線圈/磁芯/絕緣層/基底注意工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析工藝兼容性3、磁通門MEMS磁通門結(jié)構(gòu)材料選用274、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁阻元件參數(shù)變化比大頻率高——重要用途：磁盤驅(qū)動(dòng)器中的讀出磁頭霍爾器件靈敏度、精度、頻率一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、成本低——適合于電機(jī)等普通場(chǎng)合4、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁阻元件參數(shù)變化比大霍爾器件靈敏284、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁微傳感器應(yīng)用磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、汽車和潛艇）位置傳感非接觸型流速計(jì)非接觸型電流測(cè)量金屬物體探測(cè)古磁學(xué)測(cè)量磁性油墨的讀出等磁通門靈敏度最高成本高——適合高精度傳感（例如導(dǎo)航）——微型化成本降低則前景很好4、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁微傳感器應(yīng)用磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機(jī)29二、熱微傳感器1、熱敏電阻（RTD:resistivetemperaturedetector）

工作原理/溫度系數(shù)/線性化三個(gè)熱電效應(yīng)原理塞貝克See-back珀耳貼Peltier湯普森Thompson普通熱電偶原理理想?yún)⒖冀Y(jié)點(diǎn)熱電偶測(cè)量原理2、熱電偶二、熱微傳感器1、熱敏電阻（RTD:resistivet302、熱電偶商品化的IC精密溫度傳感器量熱傳感器鉍-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3、其他新原理溫度傳感器4、溫度傳感作為其他傳感器的基礎(chǔ)——再述微流速計(jì)例材料選擇鐵/康銅，鉑/鉑-10%銠，半導(dǎo)體/金屬熱電偶堆（thermopile）靈敏度，紅外輻射（IR）無(wú)源傳感器2、熱電偶商品化的IC精密溫度傳感器3、其他新原理溫度傳感31三、光微傳感器1、光電傳感器外光電效應(yīng)——真空光電管、光電倍增管等內(nèi)光電效應(yīng)——真空光電管、光電倍增管等光電導(dǎo)效應(yīng)——半導(dǎo)體光敏電阻，當(dāng)光輻射時(shí)半導(dǎo)體材料電子和空穴增殖光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）——光電池/太陽(yáng)能電池類；光敏晶體管類（光敏二極管/三級(jí)管、PIN光敏三級(jí)管、肖特基勢(shì)壘光敏二極管、雪崩光敏二極管（APD）等特點(diǎn)——直接利用材料光-電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)三、光微傳感器1、光電傳感器外光電效應(yīng)——真空光電管、光電322、光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：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——應(yīng)用靈活、適應(yīng)面廣，開辟了很大應(yīng)用空間既傳光，也是敏感元件光纖內(nèi)光傳輸特性受被測(cè)物理量作用（例如材料機(jī)械變形）而發(fā)生變化，使光的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制。探測(cè)的對(duì)象往往不是光，嚴(yán)格地講各屬于機(jī)械量等傳感器。

傳感型傳光型嚴(yán)格地講不是傳感器原理，而只是一種傳輸光線結(jié)構(gòu)2、光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐333、光強(qiáng)傳感器——光干涉?zhèn)鞲衅鞣诸悓?shí)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(dòng)光纖水聽器、光柵傳感器、偏振傳感器及全內(nèi)反射傳感器等光強(qiáng)傳感型光纖陀螺儀、聲傳感器、光纖光磁傳感器（通過磁致伸縮材料外殼轉(zhuǎn)換）等。經(jīng)過特殊摻雜或表面涂層的光纖——機(jī)械量傳感器（加速度計(jì)，測(cè)量液面位置、形變、位移、力矩、流量的探測(cè)器）；輻射劑量測(cè)定儀、電流傳感器、溫度傳感器；光（相位）干涉?zhèn)鞲行停ü饫w傳感型中）3、光強(qiáng)傳感器——光干涉?zhèn)鞲衅鞣诸悓?shí)例包括：水下聲波傳感器34第三部分生物、化學(xué)成分微傳感器微型化在生化成分檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)突破宏觀檢測(cè)閾值——微小電極對(duì)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電極微小，電流輸出受對(duì)溶液流動(dòng)不敏感

電容式接地的電流與表面積成正比，從而改善信噪比微電極的響應(yīng)快速一般尺度效應(yīng)形成許多新的檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)微量樣本的檢測(cè)第三部分生物、化學(xué)成分微傳感器微型化在生化成分檢測(cè)中的優(yōu)35常用的結(jié)構(gòu)形式薄膜、微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分電極浸入生化液體封裝特點(diǎn)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)境損傷問題影響封裝完整性，增大封裝難度常用的結(jié)構(gòu)形式薄膜、微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分封裝特點(diǎn)需要一361、半導(dǎo)體氣敏微傳感器原理SnO2氧化物活性材料是一種N型半導(dǎo)體較高溫度時(shí)，空氣氧接受由N型SnO2薄膜提供的電子成為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，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

材料氧化物半導(dǎo)體，SnO2基最常用1、半導(dǎo)體氣敏微傳感器原理SnO2氧化物活性材料是一種N型37應(yīng)用大氣污染、有害氣氛等檢測(cè)——一氧化碳、硫化氫等火災(zāi)檢測(cè)與燃燒控制——低濃度可燃?xì)怏w或一氧化碳、氫、甲烷等還原性氣體有毒危險(xiǎn)氣體的檢漏人體檢測(cè)——乙醇、麻醉試劑等特點(diǎn)靈敏度高——表達(dá)法成本低時(shí)間響應(yīng)快低能耗長(zhǎng)期漂移選擇性較差——改進(jìn)摻雜貴金屬易受溫度、濕度干擾應(yīng)用大氣污染、有害氣氛等檢測(cè)——一氧化碳、硫化氫等特點(diǎn)靈38——當(dāng)前主流工藝氮?dú)鈹y帶含錫的有機(jī)復(fù)合物蒸氣——與基板表面吸附的氧反應(yīng)形成氧化物——高溫退火形成SnO2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)CVD法——雙氣體混合反應(yīng)蒸發(fā)法——單質(zhì)沉積后再反應(yīng)純錫金屬（或錫合金）加熱沉積——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(jí)制備條件控制膜厚和晶粒尺寸——決定響應(yīng)時(shí)間等性能工藝IC薄膜工藝——當(dāng)前主流工藝氮?dú)鈹y帶含錫的有機(jī)復(fù)合物蒸氣——與基板表面吸39——用SnO2粉末燒結(jié)成多孔厚膜初始工藝采用絲網(wǎng)印刷，將氣敏膜印刷到Al2O3基板上活性層的厚度約在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米之間優(yōu)點(diǎn)氣敏層多孔——有利于增大接觸面積傳感元件幾何形狀多樣（例如共面、叉指或夾心型）設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單工藝厚膜工藝——用SnO2粉末燒結(jié)成多孔厚膜初始工藝采用絲網(wǎng)印刷，將氣40結(jié)構(gòu)IC薄膜工藝形成結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體化學(xué)傳感器——離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管ISFET結(jié)構(gòu)IC薄膜工藝形成結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體化學(xué)傳感器412、電化學(xué)微傳感器基于傳統(tǒng)的電化學(xué)分析原理與固態(tài)或液態(tài)電解質(zhì)接觸多個(gè)電極組成的電化學(xué)電池

原理與結(jié)構(gòu)電導(dǎo)/電容測(cè)量電位測(cè)量測(cè)量伏-安特性測(cè)量工作模式引入新技術(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）2、電化學(xué)微傳感器基于傳統(tǒng)的電化學(xué)分析原理原理與結(jié)構(gòu)電導(dǎo)/電423、生化成分的聲學(xué)微傳感器原理發(fā)展聲學(xué)傳感器——利用頻率MHZ-GHZ的彈性波測(cè)量物理、生化量固體表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ǎ⊿AW）在很薄的彈性膜中傳播的彈性彎曲平板波（FPW）聲平板模式（APM）振動(dòng)式階段——厚度剪切模式，以石英晶體微平衡器（QCM）為基礎(chǔ)傳播式階段靈敏度很高——化學(xué)蒸汽和氣體的微量測(cè)量輸出頻率——簡(jiǎn)單而精確的讀出動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定可靠3、生化成分的聲學(xué)微傳感器原理發(fā)展聲學(xué)傳感器——利用頻率MH43模式對(duì)比模式對(duì)比44SAW氣體傳感器采用SAW的原因?qū)ξ?脫附過程不需要電荷或熱的變化結(jié)構(gòu)與原理在傳播路徑上吸收膜，時(shí)間延遲而引起頻率變化雙通道的優(yōu)點(diǎn)基板材料——一般銀酸鋰，少數(shù)用硅或石英振蕩器材料——氧化鋅壓電薄膜獨(dú)特性質(zhì)頻率高，所以靈敏度更高結(jié)構(gòu)上——平面結(jié)構(gòu)、易于微型化；易于并行制作參考器件作為補(bǔ)償以提高精度SAW氣體傳感器采用SAW的原因?qū)ξ?脫附過程不需要電荷或45SAW氣體傳感器應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)——制備選擇性強(qiáng)的薄膜——陣列化——測(cè)量傳播速度、衰減與氣體濃度之間的關(guān)系補(bǔ)償方法SAW氣體傳感器應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)——制備選擇性強(qiáng)的薄膜——陣列46本章學(xué)習(xí)要求掌握傳感器的兩個(gè)部分、按照探測(cè)物理量的分類、測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特征性能。掌握壓力傳感器的壓阻、電容、諧振傳感原理；加速度傳感器的壓阻、電容、諧振傳感原理，特別是各傳感結(jié)構(gòu)；角速度的諧振傳感原理。了解流動(dòng)參數(shù)傳感器基本傳感原理。掌握聲表面波、電、磁傳感器的傳感原理。掌握光傳感器、熱傳感器的傳感機(jī)理。掌握半導(dǎo)體氣敏傳感器原理，了解電導(dǎo)率/電容、電位、伏安特性電化學(xué)傳感器原理。本章學(xué)習(xí)要求掌握傳感器的兩個(gè)部分、按照探測(cè)物理量的分47本章重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：傳感器的按照探測(cè)物理量的分類；壓力傳感器原理；慣性參數(shù)傳感器原理；聲、電、磁、光、熱傳感器原理；電化學(xué)傳感器原理；半導(dǎo)體氣敏傳感器原理難點(diǎn)：傳感器的特征性能；諧振傳感原理；電化學(xué)傳感器原理等作業(yè)：教材第207頁(yè)第1-10題本章重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：傳感器的按照探測(cè)物理量的分類；壓力傳感器原48微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)選修課程Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS)微機(jī)電系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械電子工程學(xué)院專業(yè)選修課程Micro-Elect49第5章微傳感器微傳感器的基本概念機(jī)械量微傳感器聲/光/電/磁/熱微傳感器生物化學(xué)微傳感器第5章微傳感器微傳感器的基本概念50微傳感器的基本概念傳感器概念傳感器——兩個(gè)部分：感受被測(cè)量（敏感元件）/轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)（轉(zhuǎn)換元件）調(diào)節(jié)器——（電）信號(hào)AD轉(zhuǎn)換/放大/調(diào)制/濾波/解調(diào)輸出轉(zhuǎn)換器——轉(zhuǎn)換成顯示、記錄或執(zhí)行的能量形式微傳感器的基本概念傳感器概念傳感器——兩個(gè)部分：感受被測(cè)量51傳感器的性能允許的環(huán)境條件過載性能工作壽命量程全量程輸出FSO滯變線性重復(fù)性穩(wěn)定性閾值選擇性靈敏度響應(yīng)速度偏置輸出格式分辨能力精確性條件與結(jié)果適應(yīng)環(huán)境能力實(shí)用尺度傳感器的性能允許的環(huán)境條件量程滯變閾值響應(yīng)速度偏52MEMS與宏觀傳感器的比較最早出現(xiàn)、市場(chǎng)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）提高性能大多測(cè)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，制造方式不同按被測(cè)能量形式：機(jī)械/電學(xué)/磁學(xué)/熱學(xué)/聲學(xué)/光學(xué)/輻射/化學(xué)/生物

傳感器分類有源(active，例如壓電)、無(wú)源（positive，例如熒光）MEMS與宏觀傳感器的比較最早出現(xiàn)、市場(chǎng)值最大、發(fā)展最快53第一部分機(jī)械量微傳感器

測(cè)量物理量——形變/位移結(jié)構(gòu)特征——膜片、梁，原因材料——硅，原因傳感器按測(cè)量參數(shù)分類——壓力、加速度、角速度、直線或角位移敏感機(jī)理——壓電、壓阻、電容、電感、諧振第一部分機(jī)械量微傳感器測(cè)量物理量——形變/位移54壓阻檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電電阻效應(yīng)；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改變電子遷移率和載流子密度。壓阻系數(shù)（n×m）矩陣特點(diǎn)：溫漂大；電阻最大變化率為5%，靈敏度不是很高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠應(yīng)用方式——多為推拉信號(hào)的橋式結(jié)構(gòu)壓電檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電效應(yīng)/逆壓電效應(yīng)壓電系數(shù)（n×m）矩陣`其簡(jiǎn)化考慮主要壓電常數(shù)d33、d31特點(diǎn)：分辨率高（測(cè)基因）、響應(yīng)快、工藝兼容性應(yīng)用：麥克風(fēng)、超聲傳感器、壓力傳感器、位移變形壓阻檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——壓電電阻效應(yīng)；形變破壞能帶結(jié)構(gòu)、改55諧振檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變激勵(lì)方法——電阻熱、靜電、壓電、電磁、光熱等檢測(cè)方法——電阻、電容、壓電、電磁、光等特點(diǎn)：

直接輸出頻率數(shù)字量，無(wú)需A/D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(jī)械性質(zhì)，受電路參數(shù)（如電漂移、噪聲等）變化的影響很小，測(cè)量精度、穩(wěn)定性及測(cè)量分辨率均較優(yōu)。

電容檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理簡(jiǎn)單特點(diǎn)：零漂小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、非接觸測(cè)量。對(duì)于側(cè)面力的測(cè)量靈敏度較差、電容變化值大所以靈敏度高；易受雜散電容干擾，所以須立即轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)

諧振檢測(cè)原理與特點(diǎn)原理——膜片或梁諧振頻率隨應(yīng)力變形而改變電56主要結(jié)構(gòu)特征-膜片、雙固梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、電容效應(yīng)壓力微傳感器

結(jié)構(gòu)：敏感電容Csen、參考電容Cref。改進(jìn)結(jié)構(gòu)：使Csen變化處處相等結(jié)構(gòu)參數(shù)量級(jí)：方膜片2mm×2mm、厚度20μm，極板間隙1μm測(cè)量電容值0.1-10pF，改變量更微小一、壓力傳感器主要結(jié)構(gòu)特征-膜片、雙固梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、571、電容效應(yīng)壓力微傳感器由于所測(cè)電容值很小，對(duì)測(cè)量放大電路的要求與措施：必須具有很小電容——集成制作必須具有很低的溫度漂移——采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，對(duì)輸入的雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏感，因?yàn)橥蜃兓攸c(diǎn)靈敏度高——高于壓阻式10倍以上功耗低——低于壓阻式2個(gè)數(shù)量級(jí)溫漂小——所以重復(fù)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好測(cè)量放大電路1、電容效應(yīng)壓力微傳感器由于所測(cè)電容值很小，對(duì)測(cè)量放大電路的58結(jié)構(gòu)——閉環(huán)工作。R諧振子，E激勵(lì)器，D振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器，A放大調(diào)頻電路。諧振頻率（固有頻率）受被測(cè)量M的調(diào)制。

高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)降低維持能耗降低因能耗產(chǎn)生的測(cè)量誤差，在滿量程里穩(wěn)定振動(dòng)而不漂移通常方法：在真空中工作2、諧振效應(yīng)壓力微傳感器結(jié)構(gòu)——閉環(huán)工作。R諧振子，E激勵(lì)器，D振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)器，A放59結(jié)構(gòu)——北京航空航天大學(xué)微機(jī)械傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，電阻熱激勵(lì)、電阻檢測(cè)式。工藝解釋性能——實(shí)用的精度已能達(dá)到0.01%2、諧振效應(yīng)壓力微傳感器結(jié)構(gòu)——北京航空航天大學(xué)微機(jī)械傳感技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，電阻熱激勵(lì)、電60主要結(jié)構(gòu)特征-懸臂梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器

原理、結(jié)構(gòu)（參數(shù)量級(jí)例：敏感質(zhì)量1.55mm×2mm×0.3mm，支撐梁350m×200m×22m，諧振梁700m×200m×5.5m。固有頻率約1.5kHz）激勵(lì)、檢測(cè)方法二、加速度傳感器主要結(jié)構(gòu)特征-懸臂梁；敏感機(jī)理-壓阻、電容、諧振1、諧振效61梁的頻率設(shè)計(jì)——比系統(tǒng)高出幾十倍諧振梁結(jié)構(gòu)、模態(tài)選擇支撐梁結(jié)構(gòu)特征、雙支撐的目的交叉軸加速度解耦氣體壓膜阻尼1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則分辨率指標(biāo)——分辨位移約為加速度約為0.1梁的頻率設(shè)計(jì)——比系統(tǒng)高出幾十倍1、諧振效應(yīng)加速度微傳感器結(jié)62加速度值大——侵徹武器2×105g響應(yīng)速度快——汽車安全氣囊，ms時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)可靠性高2、電阻效應(yīng)加速度微傳感器適用要求可靠性的措施——陣列式電子科技大學(xué)成果8個(gè)相同的硅懸臂梁壓阻效應(yīng)，懸臂梁根部擴(kuò)散電阻，同時(shí)將惠斯頓電橋擴(kuò)散在同一芯片能夠測(cè)試1.13×105g加速度加速度值大——侵徹武器2×105g2、電阻效應(yīng)加速度微傳63作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)原理、結(jié)構(gòu)3、0位平衡式硅電容效應(yīng)加速度微傳感器采用該原理的原因性能特點(diǎn)目的：脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的占空比與加速度成正比控制電路靈敏度很高——低頻微弱加速度精度高——滿足慣性導(dǎo)航要求量程較小——作為微執(zhí)行器的特點(diǎn)原理、結(jié)構(gòu)3、0位平衡式硅電容效應(yīng)加64三、硅諧振式微陀螺（MMG）諧振式（MMG多采用）原理主振動(dòng)——繞z旋轉(zhuǎn)——y方向交變的哥氏力Fc——形成輔振動(dòng)檢測(cè)y(t)，幅值與繞z旋轉(zhuǎn)角速度的大小成比例，相位與繞z旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)陀螺技術(shù)發(fā)展機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀——激光陀螺、半球諧振陀螺——光纖陀螺——MMG現(xiàn)狀

三、硅諧振式微陀螺（MMG）諧振式（MMG多采用）原理主振動(dòng)65完全軸對(duì)稱諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放——消除驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)平衡差異MMG的關(guān)鍵技術(shù)問題相對(duì)制造精度——靜電激勵(lì)和電容檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)電路高Q值激勵(lì)和檢測(cè)技術(shù)——引入納米制造技術(shù)的前景——真空容腔內(nèi)振動(dòng)——分辨率10-18F、強(qiáng)抗干擾能力完全軸對(duì)稱諧振微結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力釋放——消除驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的66結(jié)構(gòu)特點(diǎn)理想的完全軸對(duì)稱制造容易穩(wěn)定、抗干擾強(qiáng)一種較為理想的結(jié)構(gòu)原理材料特點(diǎn)已達(dá)慣導(dǎo)級(jí)指標(biāo)球直徑60-150mm現(xiàn)狀發(fā)展成MMG存在的問題結(jié)構(gòu)特點(diǎn)理想的完全軸對(duì)稱一種較為理想的結(jié)構(gòu)原理材料特67四、流動(dòng)微傳感器應(yīng)用閾值低、靈敏度高特點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)宏觀流量點(diǎn)控制、適合于微流量系統(tǒng)——精確的流量、流速控制尺度小四、流動(dòng)微傳感器應(yīng)用閾值低、靈敏度高特點(diǎn)——實(shí)現(xiàn)宏觀流量點(diǎn)控68熱風(fēng)速微傳感器典型產(chǎn)品例熱風(fēng)速微傳感器典型產(chǎn)品例69第二部分非機(jī)械物理量微傳感器一、磁微傳感器——聲、光、電、磁、熱等特點(diǎn)結(jié)構(gòu)尺寸小與IC兼容性好（工藝、材料、工作條件）電磁感應(yīng)/磁場(chǎng)電效應(yīng)/核子效應(yīng)/超導(dǎo)量子干涉/磁致伸縮/磁光效應(yīng)等物理原理————特別有利于微型化傳統(tǒng)應(yīng)用——磁強(qiáng)針，磁羅盤、電流探測(cè)器、磁讀出頭以及無(wú)刷電機(jī)中的轉(zhuǎn)子位置探測(cè)器等

第二部分非機(jī)械物理量微傳感器一、磁微傳感器——聲、光、電701、霍爾器件提高靈敏度降低漂移霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件MEMS霍爾器件結(jié)構(gòu)與原理應(yīng)用情況與問題1、霍爾器件提高靈敏度霍爾傳感原理與宏觀霍爾器件712、磁阻元件鐵磁性薄膜磁阻元件/半導(dǎo)體磁阻元件原理電阻率與磁場(chǎng)關(guān)系推導(dǎo)結(jié)構(gòu)磁阻金屬或合金制成矩形薄膜，在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁矩沿著長(zhǎng)度x方向（易軸方向），外加磁場(chǎng)沿薄膜的寬度y方向等材料在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的電阻率各向異性——存在問題：非線形關(guān)系2、磁阻元件鐵磁性薄膜磁阻元件/半導(dǎo)體磁阻元件原理72施加偏場(chǎng)的方法——解決線性化問題2、磁阻元件重要用途——磁盤驅(qū)動(dòng)器中的讀出磁頭

器件發(fā)展MR-GMR-MI靈敏度指標(biāo)%/Oe施加偏場(chǎng)的方法2、磁阻元件重要用途器件發(fā)展733、磁通門原理固有狀態(tài)在外加磁場(chǎng)信號(hào)的影響——通過分析脈沖的相位變化，可測(cè)量外加磁場(chǎng)的大小——最常用的形式：讀出偶次諧波，傅里葉分析出結(jié)果特點(diǎn)直流或很低頻率高靈敏度10-10T3、磁通門原理固有狀態(tài)——通過分析脈沖的相位變化，可測(cè)量743、磁通門MEMS磁通門結(jié)構(gòu)材料選用——線圈/磁芯/絕緣層/基底注意工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析工藝兼容性3、磁通門MEMS磁通門結(jié)構(gòu)材料選用754、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁阻元件參數(shù)變化比大頻率高——重要用途：磁盤驅(qū)動(dòng)器中的讀出磁頭霍爾器件靈敏度、精度、頻率一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、成本低——適合于電機(jī)等普通場(chǎng)合4、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁阻元件參數(shù)變化比大霍爾器件靈敏764、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁微傳感器應(yīng)用磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、汽車和潛艇）位置傳感非接觸型流速計(jì)非接觸型電流測(cè)量金屬物體探測(cè)古磁學(xué)測(cè)量磁性油墨的讀出等磁通門靈敏度最高成本高——適合高精度傳感（例如導(dǎo)航）——微型化成本降低則前景很好4、磁微傳感器性能對(duì)比分析磁微傳感器應(yīng)用磁通門導(dǎo)航羅盤（飛機(jī)77二、熱微傳感器1、熱敏電阻（RTD:resistivetemperaturedetector）

工作原理/溫度系數(shù)/線性化三個(gè)熱電效應(yīng)原理塞貝克See-back珀耳貼Peltier湯普森Thompson普通熱電偶原理理想?yún)⒖冀Y(jié)點(diǎn)熱電偶測(cè)量原理2、熱電偶二、熱微傳感器1、熱敏電阻（RTD:resistivet782、熱電偶商品化的IC精密溫度傳感器量熱傳感器鉍-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3、其他新原理溫度傳感器4、溫度傳感作為其他傳感器的基礎(chǔ)——再述微流速計(jì)例材料選擇鐵/康銅，鉑/鉑-10%銠，半導(dǎo)體/金屬熱電偶堆（thermopile）靈敏度，紅外輻射（IR）無(wú)源傳感器2、熱電偶商品化的IC精密溫度傳感器3、其他新原理溫度傳感79三、光微傳感器1、光電傳感器外光電效應(yīng)——真空光電管、光電倍增管等內(nèi)光電效應(yīng)——真空光電管、光電倍增管等光電導(dǎo)效應(yīng)——半導(dǎo)體光敏電阻，當(dāng)光輻射時(shí)半導(dǎo)體材料電子和空穴增殖光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）——光電池/太陽(yáng)能電池類；光敏晶體管類（光敏二極管/三級(jí)管、PIN光敏三級(jí)管、肖特基勢(shì)壘光敏二極管、雪崩光敏二極管（APD）等特點(diǎn)——直接利用材料光-電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)三、光微傳感器1、光電傳感器外光電效應(yīng)——真空光電管、光電802、光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：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——應(yīng)用靈活、適應(yīng)面廣，開辟了很大應(yīng)用空間既傳光，也是敏感元件光纖內(nèi)光傳輸特性受被測(cè)物理量作用（例如材料機(jī)械變形）而發(fā)生變化，使光的屬性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）被調(diào)制。探測(cè)的對(duì)象往往不是光，嚴(yán)格地講各屬于機(jī)械量等傳感器。

傳感型傳光型嚴(yán)格地講不是傳感器原理，而只是一種傳輸光線結(jié)構(gòu)2、光纖傳感器優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐813、光強(qiáng)傳感器——光干涉?zhèn)鞲衅鞣诸悓?shí)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(dòng)光纖水聽器、光柵傳感器、偏振傳感器及全內(nèi)反射傳感器等光強(qiáng)傳感型光纖陀螺儀、聲傳感器、光纖光磁傳感器（通過磁致伸縮材料外殼轉(zhuǎn)換）等。經(jīng)過特殊摻雜或表面涂層的光纖——機(jī)械量傳感器（加速度計(jì)，測(cè)量液面位置、形變、位移、力矩、流量的探測(cè)器）；輻射劑量測(cè)定儀、電流傳感器、溫度傳感器；光（相位）干涉?zhèn)鞲行停ü饫w傳感型中）3、光強(qiáng)傳感器——光干涉?zhèn)鞲衅鞣诸悓?shí)例包括：水下聲波傳感器82第三部分生物、化學(xué)成分微傳感器微型化在生化成分檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)突破宏觀檢測(cè)閾值——微小電極對(duì)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電極微小，電流輸出受對(duì)溶液流動(dòng)不敏感

電容式接地的電流與表面積成正比，從而改善信噪比微電極的響應(yīng)快速一般尺度效應(yīng)形成許多新的檢測(cè)原理實(shí)現(xiàn)微量樣本的檢測(cè)第三部分生物、化學(xué)成分微傳感器微型化在生化成分檢測(cè)中的優(yōu)83常用的結(jié)構(gòu)形式薄膜、微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分電極浸入生化液體封裝特點(diǎn)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)境損傷問題影響封裝完整性，增大封裝難度常用的結(jié)構(gòu)形式薄膜、微納結(jié)構(gòu)表面吸附生化成分封裝特點(diǎn)需要一841、半導(dǎo)體氣敏微傳感器原理SnO2氧化物活性材料是一種N型半導(dǎo)體較高溫度時(shí)，空氣氧接受由N型SnO2薄膜提供的電子成為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，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

材料氧化物半導(dǎo)體，SnO2基最常用1、半導(dǎo)體氣敏微傳感器原理SnO2氧化物活性材料是一種N型85應(yīng)用大氣污染、有害氣氛等檢測(cè)——一氧化碳、硫化氫等火災(zāi)檢測(cè)與燃燒控制——低濃度可燃?xì)怏w或一氧化碳、氫、甲烷等還原性氣體有毒危險(xiǎn)氣體的檢漏人體檢測(cè)——乙醇、麻醉試劑等特點(diǎn)靈敏度高——表達(dá)法成本低時(shí)間響應(yīng)快低能耗長(zhǎng)期漂移選擇性較差——改進(jìn)摻雜貴金屬易受溫度、濕度干擾應(yīng)用大氣污染、有害氣氛等檢測(cè)——一氧化碳、硫化氫等特點(diǎn)靈86——當(dāng)前主流