MEMS微传感器在汽车中的应用PPT课件
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
能的压敏电阻 对环境温度变化敏感
材料生长和制造工艺流程复 杂，不能在高温条件下工作
微传感器的实例(1)——力学
微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风
在此只重点介绍微加速度传感器。
微加速度传感器
主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、 振动和冲击
压阻式、电容式、压电剪切压阻系数
P型压敏电阻的变化率为 R R ll tt 7.8 1 l 6.3 6 t 1 5 0
N型压敏电阻的变化率为
R R l lt t 3.2 1 l 1.6 7 t 1 5 0
压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥
R1 R3
R4' R2'
电容式
悬浮支架 加速度
固定支架 导电电极
质量块 衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度 质量块
感应叉指
悬浮支架
b) 水平敏感电容微加速度计结构
电容式加速度计的不同敏感电容
1) 平行板电容式微加速度计
平行板结构电容式 硅 微加速度计虽然具 玻璃 有较高的灵敏度， 玻硅璃 但是其制作需要腐 硅
研1202班
主要内容
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。
检测质量电极 检测质量
扭转铰链
隧道针尖 氮化层悬臂梁
可变电极 挤压膜阻尼孔
Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计
压电式微加速度计
压电式微加速度计
具有测量范围宽、 敏感质量
启动快、功耗低、 直流供电、抗冲击
m 压电晶体
振动、可靠性高等 壳体
显著优点，在惯性
导航系统中有着广 泛的应用。
敏感轴方向 压电式微加速度计原理示意图
在此不详述。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
46
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。
图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成
图中的光电子管由p－、n－和p－掺杂层组成。 入射的光子能量可以被转换成从这些器件中 输出的电流。
微传感器的实例(3)——热学 微传感器的实例(4)——电磁 微传感器的实例(5)——生物医学 微传感器的实例(6)——化学
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。
附例：一个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：M5 mm 线性：≤1%
横向灵敏度：≤5% 典型值：≤3%
压阻式 挠度
y x 1 P 2 3 x l x 1 P 2 l x 1P 2 3 x l 2 x
6 EI 4EI12EI
应力
T (x) E h 2 1d2 d y x(2 x) 1 4h 1P 2 Ixl
一阶固有频率
L EIy''2 xdx
ws2
0
L WHy2xdx
0
阻尼比
a a 3 b c b
静电敏感
优点 材料简单
热敏感 压阻敏感
较低的工作电流与工作电压 响应速度快 材料简单
省去了可动部件 高灵敏度
压电敏感
材料简单（金属应变计）
电信号自产生能力，无需外 加电源
缺点 需要较大的器件尺寸以得到
足够大的电容 信号读出电路复杂 对微粒与湿度敏感 相对较大的功耗 相对静电敏感响应速度较慢 需要硅掺杂工艺以获取高性
利用半导体光电导效应可制成光敏电阻
其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷 载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率 发生变化。 光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用 原理在量子物理学中已经比较完善。
微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有 强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。
如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后， 两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电 桥电路中电阻的改变测量出来。
2 MK 2 MK d 3
引线 导电胶
压敏电阻
空隙 玻璃盖板
质量块
第一个微加速度计的剖面结构示意图
梁
基座
基座
东南大学研制的压阻式大加速度计，在同一块芯片上设 计了两种结构传感器——单悬臂梁和双悬臂梁结构
单悬臂梁微加速度计
双悬臂梁微加速度计
东南大学压阻式微加速度计样品 SEM照片
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
R Rπ11πtt πss
其中
π11πtt
π 1 π 1 2 π 1 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 m 4 1 2 m 1 2 n 1 2 l 1 2 n 1 2
π t π 1 2 π 2 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 l 2 2 4 m 1 2 m 2 2 n 1 2 n 2 2
微传感器的概念
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。
R
L
其中，
KπE12
π为压阻系数
1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化
引起，因此 12 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 πE 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
C1
A 0
C2
A 0
1 1 2 C1 C2 A
C2 C1 C2 C1 0
(3)隧道电流敏感原理 (4)压电敏感原理 (5)谐振式敏感原理 (6)热对流式敏感原理
在此不一一介绍。
传感器 类型
压阻式
测量 范围
大
电容式 小
谐振式 小
压电式 大
隧道式 小
热对流 式
大
各种敏感原理特点比较
精度 中 高
高 低 高
频响 高 中
中 高 高
线性 度 较好 较好
较好 较好 较差
信号处理电路
简单电桥电路 高灵敏度的开关 电容或电桥电路
宽频带闭环 谐振回路 电荷放大器 高灵敏度电流 检测电路
结构 工艺 简单 复杂
复杂 简单 复杂
技术成 熟性 好 差
差 好 差
中
低 一般 热敏电阻电桥 简单 差
各种敏感原理的优缺点
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
E
压阻变化的具体过程
电阻的基本关系式 电阻率的变化率 电阻的变化率
L
R A
d π
d R π 1 2 d L π E 1 2 K
介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
间隙变化型电容式微传感器
C C
1
1
利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
C C 1 2 n
略除高阶无穷小项，得
C C
这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
KCd dS2
d 100%
d
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
蚀、组装、键合等
多种工艺，过程复
杂，无法与硅平面
工艺兼容，难以实
“三明治”结构电容式微加速度计结构
现批量化、低成本
生产。
2) 梳状电容式微加速度计
挠性梁
定齿
敏感质量
位移 定齿
基底
立柱
C1 C2
隧道电流式
隧道式微加速度 计，通常有悬臂 梁式、多梁支撑 式和扭摆轴式等 几种结构
悬臂梁 隧道针尖
悬臂梁式隧道效应微加速度计
P阱电阻
焊盘
输出
Vdd FET 放大器
源极
传感电容 比较电容
悬臂梁
氧化锌
根切 压电式微加速度计的结构
微传感器的实例(2)——光学
光学传感器的原理
电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型： 1）物体从价带向导带跃迁——光伏效应 2）物体从导带向价带跃迁——光电效应 3）向稳定能级的跃迁——双折射，克耳与光电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系
输出阻抗：＜150Ω
激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC
温度范围：-40～+120℃
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
按传感机理分
压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流
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）
S+
R2 R4
输出电压
R3' R1'
O+
S2- S1-
O-
惠斯顿电桥连接图
Uo RRUi
(2)电容敏感原理
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。
电容式微传感器的基本结构
平行板电容器的电容为
C 0 A
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
列显著能级、类似氢的分子）。
当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功 时，就有光电子发射，称为外光电效应。
利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光 电倍增管等。
当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但 这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体 的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内 光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏 打效应。
材料生长和制造工艺流程复 杂，不能在高温条件下工作
微传感器的实例(1)——力学
微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风
在此只重点介绍微加速度传感器。
微加速度传感器
主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、 振动和冲击
压阻式、电容式、压电剪切压阻系数
P型压敏电阻的变化率为 R R ll tt 7.8 1 l 6.3 6 t 1 5 0
N型压敏电阻的变化率为
R R l lt t 3.2 1 l 1.6 7 t 1 5 0
压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥
R1 R3
R4' R2'
电容式
悬浮支架 加速度
固定支架 导电电极
质量块 衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度 质量块
感应叉指
悬浮支架
b) 水平敏感电容微加速度计结构
电容式加速度计的不同敏感电容
1) 平行板电容式微加速度计
平行板结构电容式 硅 微加速度计虽然具 玻璃 有较高的灵敏度， 玻硅璃 但是其制作需要腐 硅
研1202班
主要内容
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。
检测质量电极 检测质量
扭转铰链
隧道针尖 氮化层悬臂梁
可变电极 挤压膜阻尼孔
Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计
压电式微加速度计
压电式微加速度计
具有测量范围宽、 敏感质量
启动快、功耗低、 直流供电、抗冲击
m 压电晶体
振动、可靠性高等 壳体
显著优点，在惯性
导航系统中有着广 泛的应用。
敏感轴方向 压电式微加速度计原理示意图
在此不详述。
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
46
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去 战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。
图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成
图中的光电子管由p－、n－和p－掺杂层组成。 入射的光子能量可以被转换成从这些器件中 输出的电流。
微传感器的实例(3)——热学 微传感器的实例(4)——电磁 微传感器的实例(5)——生物医学 微传感器的实例(6)——化学
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。
附例：一个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：M5 mm 线性：≤1%
横向灵敏度：≤5% 典型值：≤3%
压阻式 挠度
y x 1 P 2 3 x l x 1 P 2 l x 1P 2 3 x l 2 x
6 EI 4EI12EI
应力
T (x) E h 2 1d2 d y x(2 x) 1 4h 1P 2 Ixl
一阶固有频率
L EIy''2 xdx
ws2
0
L WHy2xdx
0
阻尼比
a a 3 b c b
静电敏感
优点 材料简单
热敏感 压阻敏感
较低的工作电流与工作电压 响应速度快 材料简单
省去了可动部件 高灵敏度
压电敏感
材料简单（金属应变计）
电信号自产生能力，无需外 加电源
缺点 需要较大的器件尺寸以得到
足够大的电容 信号读出电路复杂 对微粒与湿度敏感 相对较大的功耗 相对静电敏感响应速度较慢 需要硅掺杂工艺以获取高性
利用半导体光电导效应可制成光敏电阻
其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷 载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率 发生变化。 光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用 原理在量子物理学中已经比较完善。
微光学传感器已经可以测量出光的强度。具有 强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。
如图所示，当透光性较强的半导体基体A接受光子能量后， 两光敏电阻的连接处可产生电势。产生的电势可以通过电 桥电路中电阻的改变测量出来。
2 MK 2 MK d 3
引线 导电胶
压敏电阻
空隙 玻璃盖板
质量块
第一个微加速度计的剖面结构示意图
梁
基座
基座
东南大学研制的压阻式大加速度计，在同一块芯片上设 计了两种结构传感器——单悬臂梁和双悬臂梁结构
单悬臂梁微加速度计
双悬臂梁微加速度计
东南大学压阻式微加速度计样品 SEM照片
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
R Rπ11πtt πss
其中
π11πtt
π 1 π 1 2 π 1 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 m 4 1 2 m 1 2 n 1 2 l 1 2 n 1 2
π t π 1 2 π 2 1 π 1 1 π 4 2 l 1 2 l 2 2 4 m 1 2 m 2 2 n 1 2 n 2 2
微传感器的概念
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。
R
L
其中，
KπE12
π为压阻系数
1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变化
引起，因此 12 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 πE 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
C1
A 0
C2
A 0
1 1 2 C1 C2 A
C2 C1 C2 C1 0
(3)隧道电流敏感原理 (4)压电敏感原理 (5)谐振式敏感原理 (6)热对流式敏感原理
在此不一一介绍。
传感器 类型
压阻式
测量 范围
大
电容式 小
谐振式 小
压电式 大
隧道式 小
热对流 式
大
各种敏感原理特点比较
精度 中 高
高 低 高
频响 高 中
中 高 高
线性 度 较好 较好
较好 较好 较差
信号处理电路
简单电桥电路 高灵敏度的开关 电容或电桥电路
宽频带闭环 谐振回路 电荷放大器 高灵敏度电流 检测电路
结构 工艺 简单 复杂
复杂 简单 复杂
技术成 熟性 好 差
差 好 差
中
低 一般 热敏电阻电桥 简单 差
各种敏感原理的优缺点
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
E
压阻变化的具体过程
电阻的基本关系式 电阻率的变化率 电阻的变化率
L
R A
d π
d R π 1 2 d L π E 1 2 K
介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
间隙变化型电容式微传感器
C C
1
1
利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
C C 1 2 n
略除高阶无穷小项，得
C C
这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
KCd dS2
d 100%
d
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
蚀、组装、键合等
多种工艺，过程复
杂，无法与硅平面
工艺兼容，难以实
“三明治”结构电容式微加速度计结构
现批量化、低成本
生产。
2) 梳状电容式微加速度计
挠性梁
定齿
敏感质量
位移 定齿
基底
立柱
C1 C2
隧道电流式
隧道式微加速度 计，通常有悬臂 梁式、多梁支撑 式和扭摆轴式等 几种结构
悬臂梁 隧道针尖
悬臂梁式隧道效应微加速度计
P阱电阻
焊盘
输出
Vdd FET 放大器
源极
传感电容 比较电容
悬臂梁
氧化锌
根切 压电式微加速度计的结构
微传感器的实例(2)——光学
光学传感器的原理
电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型： 1）物体从价带向导带跃迁——光伏效应 2）物体从导带向价带跃迁——光电效应 3）向稳定能级的跃迁——双折射，克耳与光电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系
输出阻抗：＜150Ω
激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC
温度范围：-40～+120℃
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
按传感机理分
压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流
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）
S+
R2 R4
输出电压
R3' R1'
O+
S2- S1-
O-
惠斯顿电桥连接图
Uo RRUi
(2)电容敏感原理
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。
电容式微传感器的基本结构
平行板电容器的电容为
C 0 A
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
列显著能级、类似氢的分子）。
当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功 时，就有光电子发射，称为外光电效应。
利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光 电倍增管等。
当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但 这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体 的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内 光电导效应。前者称为光电导效应，后者称为伏 打效应。