MEMS微传感器的工作原理.ppt

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1、微传感器的工作原理Agenda微传感器的概念微传感器的分类基本敏感原理介绍微传感器的实例微传感器的概念微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。MEMS微传感器原理框图微传感器的概念微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。微传感器的技术指标：量程：测量范围上限值和下限值的代数差。灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值线性度：传感器输出与输入

2、之间的线性程度。分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最小变化量。重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致程度。频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作的频率区间。微传感器的概念例：某微加速度传感器的指标灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（±10%)安装谐振点:30kHz分辨率：0.0002g抗冲击：2000g重量：8mg安装螺纹：M5mm线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC典型值：24VDC温度范围

3、：-40～+120℃壳绝缘电阻：＞Ω安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm微传感器的分类按物理参数分力（加速度/压力/声）热（热电偶/热阻）光（光电类）电磁（磁强计）化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）微传感器的分类按传感机理分压阻压电隧道电容谐振热对流微传感器的敏感原理(1)压阻敏感原理当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化。电阻的基本关系式电阻率的变化率电

4、阻的变化率其中，为压阻系数压阻变化的具体过程1)金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化引起，因此起主要作用；2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此起主要作用；3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为其中主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数P型压敏电阻的变化率为N型压敏电阻的变化率为压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥惠斯顿电桥连接图S+S2-S1-O-O+输出电压电容式微传感器的基本结构(2)电容敏感

5、原理利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。间隙变化型：改变两极板间隙δ面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε平行板电容器的电容为(2)电容敏感原理间隙变化型电容式微传感器利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得(2)电容敏感原理略除高阶无穷小项，得这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为(2)电容敏感原理采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：(2)电容敏感原理(3)隧道电流敏感原理在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极

6、之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。隧道电流质量块隧道探针输入感应力方向膜隧道电流式微传感器的基本结构为直流驱动电压，单位为V；为隧道电流，单位为A；为常数，等于；为有效隧道势垒高度，单位为eV；为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5eV，1nm)，隧道电极间距变化0.1nm时，隧道电流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。(3)隧道电流敏感原理:隧道电流，单位为A；:直流驱动电压，单位为V；:常数，等于；:有效隧道势垒高度，单位为eV；:隧道电极间距，单位为nm。在标准情况

7、下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d变化0.1nm时，隧道电流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。(3)隧道电流敏感原理隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。隧道电流随距离d的变化曲线(3)隧道电流敏感原理(4)压电敏感原理压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。(4)压电敏感原理压电材料

8、的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系得出两金属板间的电压差(4)压电敏感原理(5)谐振式敏感原理当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微