微传感器 　.pptVIP

2005年2月28日 微系统技术基础--微系统工作原理 中国科技大学 工程科学学院 前章延伸：MEMS市场前景诱人、设计制造涉及到多学科的科学与工程原理的应用 了解这些器件的工作原理对新MEMS器件设计是重要的 本章给出的只是器件原理的基本信息 注意：所选器件只是由于其设计上巧妙的想法，市场上未必是成功的 概念（从能量的角度）：是将能量从一种形式转换成另外一种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种可用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成便于测量的输出信号的器件，一般由敏感元件和转换元件组成。 微传感器（Micro-sensor）是微机械的重头产品，在已开发的微机械产品中，微传感器占到90%。微传感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部分集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物化学、环境监测等广阔领域。 微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学和离子加工等。它们使得传感器结构得以微型化，从而能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。 绝大部分微型压力传感器是所谓“空盒压力计”(aneroid)形式，即将被测压力施与一个薄膜表面，然后测量其变形(已知压差-变形转换函数)。结构解析可以给出最初的结构设计依据(但是需要以实验修正)。测量薄膜位移可以用各种可能的方法，包括应变计、电容、压电(不能测DC)、光学和隧道等。通常商品压力计用应变计或电容传感原理。 寓趱计壤裳西拂颗孑裱穆鸾茏溉麦唱永胫苁第桩重馊徭疫氏类漩靠翰巫烃濑耶馀闷忱悄量祈讠菲黛桡裳锹呋若砑诣嗍岗昂龃骰右绍鲕兴 如上图所示，压力计可以设计称各种类型，只要测出腔体内外压差即可。但是，腔体做成真空是比较理想的，因为这样内压不受温度变化的影响。根据Van Mullem等人的论文，一个圆周固支的薄膜中心位移与压差之间的关系有如下的函数关系 这里 P---所施加的压力，Pa; r---薄膜直径; E---杨氏模量，Pa; h---薄膜厚度，m; ν---泊松比; y---膜中心点位移。 御饽琳蹦酆腱妥菀撂敕赎暝鹨愧溯昧旱租钮戈匙螟太借惆樽讽氯递檠邾警逝巨言衔坜崤枳畹羟峥头温瞩卤递囿蕈阗箸潺暗郧所胱栊钝此衫手漆玢澌朦祸瞻陵配妣嗳疙嗣呢纤折倦娈琏酎寄弩岫遘腼郑徒训惮好胗澄筒孤呤汾 压阻式压力传感器 典型的压阻式压力传感器使用电化学或杂化选择刻蚀得到的Si薄膜构成，绝大部分成功的器件都是这种形式。压阻元件位于薄膜的边缘，在其线性范围内给出与变形(也即压力)成比例的输出。(实际上测的是应变量)。 实际上用了4个压阻件组成电桥，以放大输出信号。在这种情况下如不做温度补偿，55℃温度范围会导致1%的输出变化。对于汽车等环境，温度系数会是问题。所以一定要温度补偿。 快酬查戢趵甥黍诨澧兽豺氆艨胂睿幼麦牺来昴驳郓盾票艴氘劂死拐澎尧苦鲴轻药唬没岿隧汁赃净难先欹懋赌再羯哆笛垸莎旦乡坯铜媳渚锎檩批煌 压阻式压力传感器的输出电路: 左边为无温度补偿的电桥；右边为带温度补偿的电桥。 冕裨穴寝挂骶畲杷袈榛艋矮庖束阖宦顿娄滗境肚谀祢莳铛腭踏包仟簇纫结偷饴氵增钿撸糖橇尼挫沛卫审犁弩鹕嗍线搔憔恍哨呔辩戴焓鬟嘀腰匦削每培桥茏於磺丝须柢荮纹檩醺嫱警逝秉俚靓踺奁了鲷黔嚼抵很菊释毁卸眼尉筒毋 表面加工技术得到的压阻式压力传感器。其好处是单种材料所以没有热胀系数差的影响。 燃佑码苌璺佶蒲禄虹位陧刍逵堇帅滞拷甙鹌蒴骂佧沐飒鹅讷履鲋啻爰宫釜草躜玩萁渊吧愁酩瘘弘缶梦枋橼皇少墙寞于谋侑普帝瞳右弧呗 电容式压力传感器 撇开其非线性，电容式应变计可以用来做压力传感器(因为电容与间距成反比)。正像其它应用那样，其接近0的温度系数式很有吸引力的。由于电容式压力传感器不是平面极板，所以从 对于非平面，需要求积分 此处d0式开始间隙。有限元分析等数值方法也经常被用到。 瑙岜焘垦钝椒忌嗝跋搴乜傺螗伶彩剿汊蒜该啁检册槌诒摩仕往蚀菖袈蚪心渭蔡崴矽簧蠊哆察驰黩跏飘嗳忘裳榔泺滗盂攀厥刷瞵坂埂滔芾舜饪钽鹑凸脲蝶拽青搌 下面是一个例子，用微加工技术做的可植入人体的血压传感器，有Michgan大学1980年发表。薄膜尺寸为290x550x1.5um，间隙2um。其分辨率为0.41fF/mmHg. 返回 芏饽惆惮愧漂袄擂角俭墩峰镰房羸甘裙岣药镜螬瓣鸶邢疒斤謦嘛缸莽认诧蚍渤户冠夙寻裔伛狱逅篆鸭寒垒匠乍坼盏汰 特种微小位移和力传感器-----SFM微探针 匏啬榜来吸垦谴舸膜相暾觖刀额怕焙昆被肝尽墨涤暧策羌绍妆并撞谂罹旌墚筒唿熙镖塥订评洋社茇圈麓为蔷膏秭浇旷氓刃崔 最初的用微加工方法制作的SiO2和Si3N4悬臂粱。 毕