现代检测与仪器-MEMS传感器与数字传感器-2016-2.ppt

2.2 微传感器与准数字传感器;2.2.1 概 述;1)微传感器的发展过程 微传感器的产生;;微制造;微系统;主要应用领域;1)微传感器的发展过程 汽车上的微传感器应用;预期2014年中国车用MEMS传感器的市场规模是77亿元 从2008到2012年全球MEMS传感器市场由急剧增长状态变得平稳 预期到2017年全球MEMS市场规模达210亿美元，年增长率约13% ;2010-2018年组合惯性传感器市场营收预测（消费类+汽车类） ; 小卫星;应用微系统可以使微小卫星的质量降至10kg以下。;1)微传感器的发展过程 微传感器的应用-在消费电子领域;1)微传感器的发展过程 微传感器的应用-在消费电子领域;1)微传感器的发展过程 微传感器的应用-在消费电子领域;免提操作或手势识别将很快成为高端旗舰智能手机、平板 电脑和智能眼镜的重要特征之一 ;应用/功能/传感器类型;1)微传感器的发展过程 发展历史回顾： (1) 1960年代出现硅传感器技术,典型代表：硅压阻式传感 器、PN结温度传感器和基于霍尔效应的传感器。 (2) 1980年代末，微机械压力传感器等技术成熟并市场化， IC工艺制作的静电微电机研制成功，标志着MEMS技术已发展 成一门独立的新兴学科。 近20多年来的进展： 涌现了一批新的、以硅传感器为主的微传感器技术。 除前述三种经典硅微传感器外，主要形成了硅电容式传感器 技术和硅谐振式传感器技术。不仅有一般硅传感器的优点， 还有一些上述早期硅传感器不具备的优点。;2)微传感器的特点 (1) 微机械传感器的优点 (a)传感器性能得到极大提高 信号在传输前放大，减少了干扰和传输噪音，提高信噪 比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性 度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。 (b)具有阵列性 在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路；把 多个相同的敏感元件集成在同一芯片上。 (c)良好的工艺兼容性 便于与微电子器件集成与封装 (d)成熟的硅微半导体加工制造工艺 可批量生产，成本低廉（包含测试成本）。;2)微传感器的特点 (2) 微机械传感器的突出特征 敏感结构的尺寸非常微小。典型尺寸在?m或亚?m级；体积只有传统传感器的几十分之一乃???几百分之一；质量从kg级下降到g级，仅十几至几g。 微传感器绝不是传统传感器按比例缩小的产物，其基础理论、设计方法、结构工艺、系统实现以及性能测试和评估等都有许多自身的特殊规律与现象，必须进行有针对性的理论与试验研究。 ;3)微传感器的敏感机理 (1)电阻变化效应;电容传感器的结构和敏感方式;压电效应： 机械作用下，非对称晶体产生极化的现象;敏感方式;;4)微传感器中敏感结构的模型问题 (1) 微尺度效应： 敏感结构的尺寸非常微小，典型尺寸在?m级或亚?m级，分析、研究其工作机理，需特别注意可能产生的尺寸效应。 对于利用微型敏感元件结构特性的传感器，如经典的硅压阻式、硅电容式和硅谐振式传感器等，理论与试验研究表明，在目前的几何结构参数范围内(中观)，其尺寸效应可忽略。 对于进一步发展的以及其他利用特殊敏感膜特性实现测量的微传感器，要考虑几何结构参数（亚?m级以下、微观）的尺寸效应。 ;4)微传感器中敏感结构的模型问题 (2) 微传感器的检测问题 从敏感结构上直接检测到的信号非常微弱，例如电 压信号在?V、亚?V量级；电流信号在nA量级；电容值 低于pF，在fF量级。微传感器中有用信号远远低于噪声 电平，并与噪声信号始终混叠在一起。所以高噪声背景 下的微弱信号检测，是实现微传感器必须要解决的关键 问题之一。 常用弱信号检测技术： 滤波技术、相关检测、锁相环技术、时域信号取样、随机共振、平均技术及开关电容网络技术等。;4)微传感器中敏感结构的模型问题 (3) 微传感器的激励问题 微弱信号使得对敏感结构上的输入激励信号难控制，敏感结构尺寸微小，使输入激励信号需要严格控制，稍微偏大将使敏感结构的工作性能变坏，使其不能正常工作，甚至使其永久损坏。 若加载到敏感结构上的输入激励信号过于弱小，将不能获得较理想的敏感特性。;5) 微传感器中应用的材料* 敏感结构材料首选硅(单晶、多晶、非晶和硅蓝宝石等) --半导体具有优良的力学性质，功耗低。 单晶硅：机械品质因数理论值达106，弹性滞后和蠕变非常 低，长期稳定性好，导热性很好（为不锈钢的5倍，热胀系 数仅为不锈钢的1/7)，各向异性，非常适于制成片状结构 多晶硅：单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒排列无序，不同 晶粒有不同的单晶取向，每一单晶内部具有单晶的特征。 非晶硅：