機(jī)械微傳感器

機(jī)械(jīxiè)微傳感器

劉星精品資料傳感器：能感受(gǎnshòu)規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件。微傳感器：就其測(cè)量原理、信息與能量傳輸方式上，與宏觀的傳感器差異(chāyì)不大，僅是幾何尺寸的微型化。傳感器物理化學(xué)生物……機(jī)械……2壓力加速度……精品資料3壓力(yālì)微傳感器敏感元件（感壓）：硅膜片敏感機(jī)理：壓阻效應(yīng)、電容效應(yīng)、諧振效應(yīng)。壓電效應(yīng)：能將某一方向的彈性形變與該方向或不同方向上的位移電荷/電場(chǎng)強(qiáng)度通過壓電系數(shù)(xìshù)聯(lián)系。壓阻效應(yīng)：材料受到外加應(yīng)力時(shí)其體電阻率發(fā)生變化的材料性能。電容效應(yīng)：C=εS/d諧振效應(yīng)：膜片的諧振頻率隨壓力變化而改變的函數(shù)關(guān)系確定被測(cè)壓力。精品資料4（a）原理：在膜片上擴(kuò)散(kuòsàn)電阻，并連成惠斯通電橋。感壓過程：當(dāng)壓力作用在膜片時(shí)，膜片產(chǎn)生形變，電阻值變化，電橋失衡，失衡量(héngliáng)與被測(cè)壓力成比例。（a）壓阻效應(yīng)壓力微傳感器惠斯通電橋原理圖缺點(diǎn)：結(jié)果隨溫度變化明顯?；菟诡D電橋：由4個(gè)壓敏電阻組成。當(dāng)傳感器上沒有壓力時(shí)，橋中的所有電阻值都相等。當(dāng)有外力施加于電橋時(shí)，兩個(gè)相向電阻的阻值將增加，另兩個(gè)電阻的阻值將減小，增加和減小的阻值彼此相等。精品資料5（b）電容效應(yīng)(xiàoyìng)壓力微傳感器（b）原理：沉積在膜片上的金屬層形成電容的活動(dòng)電極，另一電極沉積在襯底上，二者構(gòu)成(gòuchéng)平行板式電容。

C=εS/d感壓過程：當(dāng)膜片感受到壓力作用彎曲時(shí)，d改變，引起C變化，其變化量與被測(cè)壓力相對(duì)應(yīng)，繼而得知被測(cè)壓力。優(yōu)點(diǎn)：零點(diǎn)漂移小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量；缺點(diǎn)：對(duì)于側(cè)面力測(cè)量靈敏度差，易受雜散電容干擾。精品資料6電容(diànróng)效應(yīng)壓力微傳感器圖為根據(jù)差動(dòng)原理設(shè)計(jì)(shèjì)的硅膜片電容效應(yīng)壓力為傳感器的結(jié)構(gòu)剖面圖。敏感電容Csen位于感壓硅膜片上，參考電容Cref位于壓力敏感區(qū)之外。感壓的方形硅膜片用化學(xué)腐蝕法制作在硅芯片上，硅芯片的上、下兩側(cè)用靜電鍵合技術(shù)分別與硼硅酸玻璃固結(jié)，形成有一定間隙的兩個(gè)空氣電容器。當(dāng)硅膜片感受到壓力p作用變形時(shí)，導(dǎo)致Csen變化。精品資料7根據(jù)(gēnjù)彈性理論板殼計(jì)算公式可求（x，y，z）ω

例：計(jì)算(jìsuàn)膜中心處的ω(x，y，z）?已知：膜中心處x=0，y=0，ω(x，y，z）變化最大。由上式課得：

其中：a、δ分別為方膜片的邊長(zhǎng)和厚度。由于硅電容壓力傳感器是微結(jié)構(gòu)，故a一般很短，常用面積為2mm*2mm。δ視被測(cè)壓量程來定。入0kpa~100kpa量程，δ設(shè)計(jì)約20μm，d約1μm精品資料8由微尺寸構(gòu)成的電容器的電容值也是微量值（一般(yībān)10pF），其該變量ΔC=Csen-Cref就更微小。測(cè)量如此微小的電容其測(cè)量放大器電路需滿足條件:1.高的靈敏度；2.低的漂移(piāoyí)。問題：普通傳感器采用的分立設(shè)置的電容器和測(cè)量電路能否照搬到微傳感器呢？分析：顯然不能，分立設(shè)置方法，其引線和連線的雜散電容就可能有幾十個(gè)皮法，這樣無實(shí)際意義。解決方法：將電容器和測(cè)量電路盡可能靠近或制作i同一塊硅片。這就需用到微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)，MEMS的優(yōu)勢(shì)。精品資料9電容效應(yīng)壓力微傳感器采用ΔC=Csen-Cref這種差動(dòng)結(jié)構(gòu)方案，優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量電路對(duì)輸入的雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏感，因?yàn)檫@些信號(hào)均被作為(zuòwéi)共模信號(hào)而被抑制。測(cè)量電路原理：電容首先充電，其電荷量與Cref比較(bǐjiào)，二者差值ΔC=Csen-Cref由差動(dòng)積分器轉(zhuǎn)換為電壓，電容-電壓轉(zhuǎn)換的靈敏度受電荷累加率控制，電壓再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制輸出，轉(zhuǎn)換序列根據(jù)逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換算法得到。電容效應(yīng)壓力微傳感器采用開關(guān)-電容電路測(cè)量電容最合適？（電路由差動(dòng)積分器、A/D轉(zhuǎn)換器、開關(guān)和電容等組成，在時(shí)鐘信號(hào)控制下工作）開關(guān)-電容電路測(cè)量電容的優(yōu)勢(shì)：其工作不受雜散電容的影響，高靈敏度和精度。精品資料10為使板級(jí)間感壓電容Csen的變化處處相等，實(shí)際上常把硅膜片設(shè)計(jì)成有硬件中心的結(jié)構(gòu)(jiégòu)形式，如右圖。電容效應(yīng)壓力微傳感器的靈敏度高，適用于低壓量程測(cè)量，如聲壓（0.1pa）級(jí)信號(hào)。在生物、醫(yī)療、航天航空、工業(yè)過程檢測(cè)、汽車工業(yè)及流體控制等領(lǐng)域應(yīng)用前景(qiánjǐng)廣闊。精品資料11比較硅膜片電阻/電容效應(yīng)(xiàoyìng)壓力微傳感器1.電容式的靈敏度是壓阻式的10倍以上(yǐshàng)；2.電容式的功耗比壓阻式低2個(gè)數(shù)量級(jí)；3.電容式輸出的重復(fù)性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于壓阻式。原因：壓敏電阻的壓阻系數(shù)隨溫度變化的改變明顯，而電容效應(yīng)壓力微傳感器的工作機(jī)理則避開了壓阻溫度效應(yīng)，故電容效應(yīng)壓力微傳感器的輸出比壓阻效應(yīng)壓力為傳感器的輸出隨溫度的變化要小得多。工作機(jī)理：物理法則、物性法則精品資料12（c）諧振(xiézhèn)效應(yīng)壓力微傳感器（c）原理(yuánlǐ)：由膜片的諧振頻率隨壓力變化而改變的函數(shù)關(guān)系確定被測(cè)壓力。諧振效應(yīng)：閉環(huán)模式工作。R：諧振子M：被測(cè)量E：激勵(lì)振子發(fā)生諧振的激勵(lì)器D：振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)器A：放大調(diào)頻電路諧振效應(yīng)壓力微傳感器原理圖感壓過程：膜片由電容激勵(lì)而發(fā)生諧振，諧振頻率為f0，當(dāng)膜片受到氣體壓力作用時(shí)，其剛度改變，引起頻率增加Δf

,Δf則對(duì)應(yīng)被測(cè)壓力。優(yōu)點(diǎn)：性能主要取決自身，測(cè)量精度、穩(wěn)定性及測(cè)量分辨力較好。精品資料13加速度微傳感器敏感(mǐngǎn)元件：硅梁敏感(mǐngǎn)機(jī)理：諧振效應(yīng)、壓阻效應(yīng)。①諧振(xiézhèn)效應(yīng)硅梁式加速度微傳感器對(duì)于微米和亞微米級(jí)的加速度檢測(cè)，利用諧振技術(shù)，對(duì)質(zhì)量位置變化的敏感具有足夠高的分辨力和靈敏度。工作原理：將被測(cè)a轉(zhuǎn)換為載荷，作用于懸掛在硅梁上的敏感質(zhì)量，導(dǎo)致硅梁產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)變，使硅梁的諧振頻率發(fā)生變化。諧振頻率的變化量與被測(cè)a成比例，得到a。分辨敏感質(zhì)量的位移約為5*10-4nm/Hz1/2加速度約為0.1ug/Hz1/2精品資料14圖為一種硅懸臂梁式加速度傳感器結(jié)構(gòu)組成：塔形敏感質(zhì)量m懸掛在與其中心軸線平行(píngxíng)且對(duì)稱的兩根支支撐梁的一端；諧振梁用于信信號(hào)檢測(cè)（位于兩根支撐梁之間）。制作方法：光刻和腐蝕(fǔshí)懸掛系統(tǒng)會(huì)干擾諧振梁的諧振頻率？如何提高諧振梁品質(zhì)因數(shù)Q？把諧振梁設(shè)計(jì)成并行3梁形式；選用反對(duì)稱相位的3階模態(tài)作為硅梁的諧振模態(tài)。精品資料②壓阻效應(yīng)(xiàoyìng)陣列式加速度微傳感器測(cè)試(cèshì)沖擊加速度時(shí)，要求測(cè)試(cèshì)加速度值大，響應(yīng)速度快，可靠性高的傳感器。由于MEMS的加工技術(shù)不斷完善，使得一個(gè)芯片上制作多個(gè)微傳感器成為現(xiàn)實(shí)。實(shí)例：測(cè)試105g的陣列式加速度微傳感器，采用微傳感器陣列版圖設(shè)計(jì)方法。原理：由8個(gè)相同的硅懸臂梁組成，在懸臂梁根部擴(kuò)散電阻，同時(shí)將惠斯通電橋擴(kuò)散在同一芯片上。傳感器位置布置圖15加工方法：光刻、濺射精品資料16陣列(zhènliè)式加速度微傳感器的版圖如圖分析：