mems传感器的敏感原理

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1、MEMS传感器的敏感原理MEMS传感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它压阻效应（piezoresistivity）电阻为电阻率取，得压阻效应：导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。压阻效应(piezoresistivity)金属应变片(电阻率不随应变而变化)应变灵敏度系数1～2（即）对晶体材料，电阻率与应变有关，定义压阻系数：表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为金属丝：金属丝体积不变：金属的压阻效应有：对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：金属的

2、压阻效应应变计金属应变计半导体的压阻效应常用压阻材料：p+或n+多晶硅金属半导体应变计简化为：优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体的压阻效应3)应变片测量电路VER1R2R3R4半导体的压阻效应令：金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变半导体的压阻效应电阻应变式传感器的应用：测力半导体的压阻效应MEMS传感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它半导体的压电效应(piezoelectricity)压电效应是居里兄弟于1880年发现的压电效应：某些材料在机械力

3、作用下产生变形,会引起表面带电的现象,而且其表面电荷密度与应力成正比半导体的压电效应施加力F3时，产生电荷电压为更完整的表达式其中分别为应力、应变、场强和电位移；分别为刚度矩阵、介电常数矩阵和压电常数矩阵半导体的压电效应常用压电材料石英晶体PZTZnO……加速度计力传感器压电式传感器MEMS传感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器,它的电容量为:+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。电容式(Capacitor)电容式传感器a)极距δ变

4、化型++++++驻极体电容传声器它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。电容式传感器b)面积变化型角位移型+++电容式传感器平面线位移型电容式传感器柱面线位移型.电容式传感器电容式(Capacitor)运动导致电容的变化电容电容为其中分别为空气的介电常数和两电极的正对面积。电容的变化与位移不成正比，非线性较强。电容的相对变化为令若初始偏移为,则当时,线性度比较好。梳齿电容器的电容与位移的线性度很好，得到广泛的应用。MEMS传

5、感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它谐振式(Resonator)运动方程无阻尼频率有阻尼频率其中当质量、刚度、阻尼改变时，系统的频率随之变化，反之，可由频率的变化反推这些物理量的变化刚度改变可由附加物质、边界条件和内应力引起质量和阻尼的变化可由附加物质、外部环境引起弯曲频率随轴力的变化轴力导致梁或膜弯曲刚度的变化，进而引起弯曲频率的变化矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为其中w、h和l分别为梁的宽度、厚度和长度，E和分别为材料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，表示第n阶无轴力频率，其值为系数和见

6、下表两端固支梁频率计算系数模态14.7300.294927.8540.1453311.000.08119414.140.05155517.280.03553MEMS传感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它隧穿式（Tunneling）在一定的电压作用下，隧穿电流为其中为归一化电流，为隧道势垒高度，为隧尖到电极之间的距离，为转换系数。可根据隧穿电流检测隧尖与电极之间的距离。MEMS传感器的敏感原理压阻效应压电效应电容效应谐振效应隧穿效应热效应光学效应其它热效应1.双金属温度计把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制

7、成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆2.热电温度计(热电偶)热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热效应ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。热效应热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其

8、两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V热效应3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的