微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术.docVIP

绪论 微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术，包括系统、器件及相应的材料与加工技术。 特点： 多数微米纳米系统、器件会保持宏观基本性质，这就为大型器件和系统微小型化提供了空间，而微小型化会带来占用空间、能量消耗、材料耗费、应用范围等方面的巨大好处 一些微米纳米尺度的系统、器件、材料具有宏观不具备的一些特殊性质，产生前所未有的新功能 在微米纳米尺度上的科学研究还进行得很少，已有研究一般都停留在现象上，有关加工、操作和理论上的研究涉及较少 理论有别于宏观理论和微观理论，为科学研究留下较大空间 加工方式特殊 交叉性和渗透性强 应用广泛 MEMS是将热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺加工到芯片上，并通过与电路的集成乃至相互之间的集成组成复杂的微型系统。 特点： 微小结构。体积小重量轻 智能化 交叉性与渗透性 具备集成电路的一些特点，如批量化、低成本等 纳米技术的分类： 纳米电子学、纳米材料、纳米结构、NEMS纳机电系统、纳米操作和纳米制造、纳米结构的检测与表征。 当把微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下变成了纳机电系统，其特点是尺寸更小、质量更小、更灵敏精确、更低功耗，可用于精密测量，机械结构更高的固有频率，但噪声大，加工难度大。 对社会的影响： 新型材料、生物与医学、能源、环境、国土安区和反恐、科学发展 微纳米技术的应用 微纳力学传感器包括微惯性 传感原理与制动原理 传感原理 基本概念 传感：将一种外界待测变（能）量（物理、化学、生物等）转化成另一种可以测量、或更适合测量的物理变量（通常是电信号），相应的器件叫做传感器 致动：将系统内部的能量（通常是电能）转化成可以对外界发生作用的能量，相应的器件叫做制动器或执行器。 换能：以上两者的统称，将一种能量转变成另一种能量，相应的器件称变送器或变换器。 传感器的基本要求 静态要求：可用方程，其中y为输出，x为待测量，N表示多种环境变量。要求 1．是的单调函数，输入量和输出量一一对应。 2．线性。满足 S定义为灵敏度。 3．是的恒定函数。传感器的输出不受环境变化影响。 4．漂移、寿命、重复性、稳定性、分辨率、选择性等静态要求 动态要求：常用二阶近似。如对于加速度计 系统振动的阻尼比 对于加速度计最佳阻尼比为0.707，此时有最大带宽；对于陀螺等需要在谐振状态下工作的器件，需要有尽量小的阻尼比（高品质因子Q） 动态特性通常包括带宽、响应速度、品质因子（阻尼）、抗瞬态冲击等。 传感类型 I．电压（电荷）式 通过敏感单元直接把外界带测量转换成电压或电荷的传感方式。 压电式 某些材料的一定方向上施加压力或拉力，则在材料的一些对应表面上分别出现正负电荷，称为压电效应。压电传感器是机械传感器的主要传感方式之一，优点是响应快、检测电路简单，缺点是无法提供直流响应，有频率检测下限。 压电效应是由内部电荷的极化造成的，因此中心对称的晶体或不定型晶体都不存在压电效应，常存在于存在不对称的偶极子的晶体材料。压电特性可以用压电系数表征。 传感器应用中，通常采用压电薄膜。 热电式 某些材料或结构，在受到热或温差时会产生电荷或电势差，称为热电效应。 光电式 光照射下，物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。分内光电效应和外光电效应。 II．电阻式 将被测量的变化转换成传感器元件电阻式的变化，再经过转换电路变成电信号输出，是采用最广泛的传感方式之一。 检测方式简单，使用最多的是惠斯通电桥结构 压阻式 当材料受到应力作用时，其电阻会发生变化，称为电阻的应变效应，是力学传感器检测的最主要机制之一。 对于金属，应力应起的电阻率变化较几何尺寸引起的变化小。半导体在发生形变时电阻率会发生显著变化，称为压阻效应，电阻率的变化对电阻变化率的贡献比几何效应高一个数量级以上，因此半导体材料比金属有更高的灵敏度。 压阻效应压力传感器 其他电阻式包括热阻式、光照改变电阻、吸收水分子或其他气体改变电阻、磁致电阻变化效应（巨磁阻） III．电容式 将被测非电量的变化转换为电容量的变化的一种传感方式。加工简单，不需要特殊的工艺和材料，分辨率非常高，温度灵敏性很低，但信号处理复杂、微纳米尺度下信号小、寄生效应影响大，是应用最多的传感方式。 检测方式：通过不同电路将电容转换成电压、电流或频率信号。 采用差分电路的方式来提高线性度和灵敏度，并将工艺变化的影响减到最低。 变间距型：当间距的变化很小时，电容变化和间距变化成正比。但当变化量较大时，不再是线性的变化。灵敏度高。 变面积型：在很大的形变范围内保持线性，但变面积式灵敏度要比变间距式低，要达到相同的初始电容和电容变化率，占用的面积更大。 变介电常数型 IV．谐振式 原理： 优点：数字输出、灵敏度高 V．隧道式 在金属针尖与导体之间施加一定的电压，当距离达到足够小时