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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(piezoresistivity) 金属的压阻效应 金属的压阻效应 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 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 PZT ZnO …… 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 电容式(Capacitor) 电容式(Capacitor) 运动导致电容的变化 电容 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 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 见下表 两端固支梁频率计算系数 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 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 MEMS传感器的敏感原理 光学效应 干涉 Fabry-Perot滤波器 光栅 MEMS传感器的敏感原理 其它 热效应 电感效应 声波传感器 …… 传感器特性评价 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 A B T T0 k——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。 T T0 2)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。 T T0 V 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，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得： A B T T0 = A C T T0 — C B T T0 由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。 热效应 热效应 3 热敏电阻传感器 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。 R T 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 光学效应 光电传感器 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 内光电效应 半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。 光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管 光学效应 光电池