微系统技术基础微系统工作原理50页PPT

首先对电阻量表达式求微分
R L A
(in Ω)。其中ρ电阻率，in Ω cm；L是长度in cm；A是截面积，in cm2。求偏微分得到:
dR AdL L AdAL 2dA
上式除以R得
dRdLddA R L A
必须指出，这里把导体简化成了圆截面的线。用泊松比可以给出横 向尺寸的相对变化。
1 2 D L//L Dd dD L //L D
截面积A与其横向尺度D的2次方成正比，所以有
dA 2dD AD
代入泊松比得到
dA2 dL
A
L
Baidu Nhomakorabea
因此电阻的偏微分表达式写成
dRR(12)dLLd
式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应(传感器材 料电阻率的变化)。由此，传感器计量因子可以写成∶
可以用微系统技术开发的微型传感器种类很多，本课程无法全部介绍。 所以我们只能从基本的传感原理讨论入手，然后从一些典型微传感器结构 来看这些原理是如何应用的。
下表列出的是一些微系统机械量传感器中常用的传感原理。考虑的
重点是∶是否需要电路集成、是否可以响应直流信号、温度系数、长 程漂移、系统复杂性等。
半导体材料，特别是Ge和Si，作为机械量-电学量转换器利用起源于 1957年。在此以前C.S.Smith发表了Ge和Si的压阻系数比其它材料高的结 果。F.P.Burns用两块Si薄片制成了声音传感器，W.P.Mason等人几乎在 同时发表了更实用化的同种器件。二者是压阻传感的开始。
这之后，随着半导体材料加工技术的快速发展，材料变得更容易获得。 1960年左右丰田理研开发出了十分实用的半导体应变传感器，同 时,W.P.Wason等人制作了细长的Si传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计 使用。1961和1962年的Instrument Society of America大会上半导体应 变传感器相关的报告很多。在此基础上，MicroSystem、Baidwin-LimaHamiton、和Kulite-Bytrex公司都先后推出了半导体应变计商品。另外 一些工业化生产的微传感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（Hall Effect）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。
Micro-System
一 微型机械量传感器 1 传感原理∶电阻(包括压阻)传感、压电传感、电
容传感和隧道传感； 2 微型传感器∶加速度传感器、压力传感器； 3 特种微型位移和力传感器∶压阻SFM传感器、 压电SFM传感器、电容式SFM传感器。
二 微型光学传感器
三 微型红外和热传感器
微型机械量传感器的发展历史
一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子(Gauge Factor)表示
G r F elra e tts a c ic in v e sh e a R /n R g R e strain L /L R
(这里用的是径向应变)，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对GF 影响的表达式。
微系统工作原理
微传感器与微驱动器原理（一）
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。
第一 电阻和压阻应变传感
应变传感器(Strain Sensor)是许多微型器件上的一个集成部件，用 于测量应变，或者直接测量结构的位移。应变传感器是特定的导体或者 半导体，它被粘结或者直接加工在被侧表面上。传感器电阻随其尺寸按 比 例 变 化 ， 这 部 分 是 由 于 尺 寸 变 化 (Streching) ， 也 部 分 由 于 1856 年 Lord Kelvin发现压阻效应(Piezoresistive)。传感器的灵敏度因设计不 同有很大差别。种类繁多的传感器可以在很大范围内实现线性度很好的 测量，满足广泛的应用要求。
金属应变传感器可以有细线或者金属薄膜组成，后者便于直接 加工在微结构的表面,金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复 杂的形状。他们通常被制在柔软的塑料衬底上，然后粘到被测表面。
半导体应变传感原理
在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的GF值。P-type 硅的GF值高达200，而n-type硅的GF是负值，可以低至-140。传感器可以 用注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。 遗憾的是半导体应变传感器也有更高的阻抗温度系数，所以温度补偿很重 要。（比如，可以利用惠斯敦电桥，使用一个不施应变的参考传感器进行 补偿)。
Gauge Factor 1 to 5 80 to 150
Diffusion Semiconductor 80 to 200
Table comparing the gauge factors of differential types of strain gauge
金属应变传感原理
对于金属而言，电阻率ρ随应变的变化不大(只要其截面尺寸远 大于晶粒尺寸)，而其ν值0.3-0.5之间,它对GF是二倍的影响。然而， 实际上宏观的金属应变传感器GF值大于尺寸效应，所以应该有一些 压阻效应在其作用。
G F d d//R L L Rd1 /R R(12 )d 1 /
事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。
正如下表所示，不同类型的应变传感器的计量因子差别极大，主要看其是 否有大的压阻效应。
Type of Strain Gauge Metal foil Bar Semiconductor
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。