第5章 微传感器和微执行器 ppt课件

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Howe[1987]发展了一个分析承受纵向力的振动梁 在模态1时的固有频率的理论
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(6)热对流式敏感原理
向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围 形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分 别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。 被测流体的质流量 与加热件上下游端的温度 差T之间的关系为：
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）
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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
P:加热功率，J：热功当量
cp：被测流体的定压比p热pt课件
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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
沿j轴所加的力F的关系
得出两金属板间的电压差
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(5)谐振式敏感原理
当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的
固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到
峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提 供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振 频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设 计中被利用。
MEMS微传感pp器t课件 原理框图
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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
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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
其中，
π 为压阻系数
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1）金属电阻的改变主要由材料几何尺寸的变
化引起，因此
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 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。
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压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥
输出电压
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(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
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平行板电容器的电容为
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 介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
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
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各种敏感原理的优缺点
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
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(4)压电敏感原理
压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力 作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反 的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状 态。
逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材 料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。
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压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示 电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与
膜
质量块
输入 感应 力方 向
隧道电流 隧道探针
隧道电流式微传感器的基本结构
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隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪 声小、温度系数小以及动态性能好等特点。
为直流驱动电压，单位为V； 为隧道电流，单
位为A； 为常数，等于
； 为有效隧
道势垒高度，单位为eV； 为隧道电极间距，单位 为nm。在标准情况下(0.5 eV，1nm)，隧道电极间 距 变化0.1nm时，隧道电流 改变2倍。利用这 个原理，可以设计各种微传感器。
时所得特性曲线不一致程度。
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。
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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
第5章 微传感器和微执行器 （第1部分）
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本章主要内容
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 微执行器的分类 基本致动方式介绍 微执行器的实例
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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。
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间隙变化型电容式微传感器 利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
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略除高阶无穷小项，得 这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为
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采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(3)隧道电流敏感原理
在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电 压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会 穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。
线性：≤1%
横向灵敏度：≤5% 典型值：≤3%
输出阻抗：＜150Ω
激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC
温度范围：-40～+120℃
壳绝缘电阻：＞Ω
安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm
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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
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
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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