微传感器与微执行器概念与实例

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
其中，
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 起主要作用；
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
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）
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。
(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 。
Байду номын сангаас
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
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
微传感器和微执行器概念和实例
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
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
(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。
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
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。
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。
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
(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：
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）。
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
沿j轴所加的力F的关系
得出两金属板间的电压差
(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
压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速 度计。
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
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。
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%
P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热
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
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
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
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
电容式微传感器的基本结构
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
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
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
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
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。
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
(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。