MEMS微传感器的工作原理课件
合集下载
相关主题
- 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)。
It V b e xpd
V位为b 为直A流；驱为动常电数压，，等单于位为10V.2；5nI为；mt 1隧e为V道有12电效流隧，单
道势垒高度，单位为eV；d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
d化0.1nm时，隧道电流 改I t 变2倍。利用这个原理，可
C2 C1 C2 C1 0
(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
(3)隧道电流敏感原理
0.1nm时，隧道电流I t改变2倍。利用这个原理，可以
设计各种微传感器。
(3)隧道电流敏感原理
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。
隧道电流随距离d的变化曲线
(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 。
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。
例：某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%)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•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%
(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。
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
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。
(2)电容敏感原理
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
(2)电容敏感原理
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
A C1 0
C2
A 0
1 1 2 C1 C2 A
MEMS微传感器的工 作原理(1)
Agenda
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。
以设计各种微传感器。
(3)隧道电流敏感原理
It V b e xpd
I:t 隧道电流，单位为A；
V: b直流驱动电压，单位为V；
: 常数，等于 1.0 2n5；m 1eV 12
: 有效隧道势垒高度，单位为eV；
d: 隧道电极间距，单位为nm。
在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d 变化
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）。
(4)压电敏感原理
(4)压电敏感原理
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
QdijFj dijA
得出两金属板间的电压差
VQ Co Q X rA Vi dioj rF A jx
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。
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πE要作用；
3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70170之间。
(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
(2)电容敏感原理
平行板电容器的电容为
•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）
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
介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
(2)电容敏感原理
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
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 2d L π E 1 2 K
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 起1主2要作用；
V位为b 为直A流；驱为动常电数压，，等单于位为10V.2；5nI为；mt 1隧e为V道有12电效流隧，单
道势垒高度，单位为eV；d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
d化0.1nm时，隧道电流 改I t 变2倍。利用这个原理，可
C2 C1 C2 C1 0
(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
(3)隧道电流敏感原理
0.1nm时，隧道电流I t改变2倍。利用这个原理，可以
设计各种微传感器。
(3)隧道电流敏感原理
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。
隧道电流随距离d的变化曲线
(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 。
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。
例：某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%)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•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%
(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。
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
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。
(2)电容敏感原理
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
(2)电容敏感原理
采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：
A C1 0
C2
A 0
1 1 2 C1 C2 A
MEMS微传感器的工 作原理(1)
Agenda
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。
以设计各种微传感器。
(3)隧道电流敏感原理
It V b e xpd
I:t 隧道电流，单位为A；
V: b直流驱动电压，单位为V；
: 常数，等于 1.0 2n5；m 1eV 12
: 有效隧道势垒高度，单位为eV；
d: 隧道电极间距，单位为nm。
在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d 变化
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）。
(4)压电敏感原理
(4)压电敏感原理
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
QdijFj dijA
得出两金属板间的电压差
VQ Co Q X rA Vi dioj rF A jx
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。
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πE要作用；
3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70170之间。
(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
(2)电容敏感原理
平行板电容器的电容为
•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）
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
介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε
(2)电容敏感原理
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
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 2d L π E 1 2 K
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 起1主2要作用；