第5章 微传感器和微执行器

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 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。
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；
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；
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% 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
微型麦克风 微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。
瑞士电子与微技术公司所制作的电容式微麦克风，利用体硅 工艺制作，重掺杂自停止形成敏感膜和有孔固定电极。
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 列显著能级、类似氢的分子）。
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 热敏电阻电桥
各种敏感原理的优缺点
优点 缺点
静电敏感
材料简单
较低的工作电流与工作电压
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
响应速度快
热敏感 压阻敏感 材料简单 省去了可动部件 高灵敏度 材料简单（金属应变计） 压电敏感 电信号自产生能力，无需外 加电源
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：
(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臵电 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。
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）
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。
敏感质量
m
压电晶体
壳体
敏感轴方向
压电式微加速度计原理示意图
微陀螺仪 利用振动质量块被基座(仪表壳体)带动旋转时 的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积 小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大 批量生产等优点。
线驱动式微陀螺仪 角驱动式微陀螺仪
线振动(音叉式)微陀螺仪
角振动式微陀螺仪
微压力传感器
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。
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
各种敏感原理特点比较
传感器 类型 压阻式 电容式 谐振式 压电式 隧道式 热对流 式 测量 范围 大 小 小 大 小 大 精度 中 高 高 低 高 中 频响 高 中 中 高 高 低 线性 度 较好 较好 较好 较好 较差 一般 信号处理电路 简单电桥电路 结构 工艺 简单 复杂 复杂 简单 复杂 简单 技术成 熟性 好 差 差 好 差 差
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。
隧道电流式
悬臂梁 隧道针尖
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
悬臂梁式隧道效应微加速度计
检测质量电极
扭转铰链
检测质量
隧道针尖 氮化层悬臂梁 挤压膜阻尼孔
可变电极
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、 启动快、功耗低、 直流供电、抗冲击 振动、可靠性高等 显著优点，在惯性 导航系统中有着广 泛的应用。
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。
硅 玻璃 硅 玻璃 硅
“三明治”结构电容式微加速度计结构
2) 梳状电容式微加速度计
挠性梁
定齿
敏感质量
位Biblioteka Baidu 定齿 基底
立柱
C1
C2
梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构， 属于硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电 路加工工艺兼容性好，可以将敏感元件和信号调理 电路用相同的工艺在同一硅片上完成，实现整体集 成。
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
热电偶传感器 热电偶是测量热的最常用的传感器 工作原理：依靠两个不同金属线的末端产 生的电动势，此电动势在两个导线的交节 点（称为节点）被加热的情况下产生。
压力传感器是测量压力的传感器件，是使用极
为广泛的一种传感器 具有体积小、重量轻、灵敏度高、精度高，动 态特性好，耐腐蚀、零位小等优点 常见的微压力传感器有三种：压阻式、电容式 和压电式微压力传感器
压阻式
焊盘 硅薄膜 P型扩散压阻 金属导体 N型外延层
P型衬底
腐蚀腔
玻璃衬底
压阻式微压力传感器结构
应力 一阶固有频率 阻尼比
ws2
WHy x dx
0 L 2 0
L
EIy' ' 2 x dx
a c b 3 2 MK 2 MK d
a 3b
压敏电阻
空隙
引线
玻璃盖板 导电胶
质量块
第一个微加速度计的剖面结构示意图
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
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。
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。
环境应力
径向应力
压敏电阻
参考压力
氮化硅
外加压力
多晶硅
压阻式绝对压力传感器
电容式 这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感 元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成
薄膜 硅 硅薄膜上键合点 上键合点
衬底上 键合点
绝缘层 电极 玻璃衬底
东京大学接触电容式压力传感器结构
谐振式
在梁和偏转电极之 间施加很小的微伏 级的电压信号就可 使梁共振，由梁上 的压敏电阻提供反 馈。施加在下层晶 片薄膜上的压力增 加了共振梁的张力， 就象调紧吉他弦一 样，这就增加了它 的共振频率。
热电偶
热电偶原理微温度传感器的一个严重缺点：输出
信号随着线和节点的尺寸的减小而降低。 微热电堆是小型化热传感更理想的解决方案。
Choi和Wise在1986年研制的微热电堆
热双层片传感器 对于传感和执行而言， 热双金属片效应是很常 用的方法。这种效应可 将微结构的温度变化转 变为机械梁的横向位移。
振动和冲击 压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速 度计。
压阻式 挠度
1 Px 2 3l x 1 Px 2l 1 Px 2 3l 2 x y x 6 EI 4 EI 12 EI
h1 d 2 y( x) 1 h1 P2 x l T ( x) E 2 dx 2 4 I
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、
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：
P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热
1 2
图 热双金属片弯曲（1 2 ）
微传感器的实例(4)——电磁 微型磁强计
定义：利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方
悬浮支架
固定支架
加速度
质量块
衬底
电容式
导电电极 a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点 加速度 感应叉指
质量块
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 式微加速度计虽然 具有较高的灵敏度 ，但是其制作需要 腐蚀、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 实现批量化、低成 本生产。
(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）。
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
MEMS微传感器原理框图
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。
第5章 微传感器和微执行器 （第1部分）
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。