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机械电子工程学院专业选修课程 Micro-Electro-Mechanical-System(MEMS) 微机电系统 第5章 微传感器 微传感器的基本概念 机械量微传感器 声/光/电/磁/热微传感器 生物化学微传感器 微传感器的基本概念 传感器概念 传感器——两个部分：感受被测量（敏感元件）/转换成 可用输出信号（转换元件） 调节器——（电）信号AD转换/放大/调制/滤波/解调 输出转换器——转换成显示、记录或执行的能量形式 传感器的性能 分辨能力 阈值 选择性 灵敏度 适应环境能力 允许的环境条件 过载性能 工作寿命 精确性 滞变 线性 重复性 稳定性 实用尺度 量程 全量程输出FSO 响应速度 条件与结果 偏置 输出格式 传感器分类 按被测能量形式： 机械/电学/磁学/热学/声学/光学/辐射/化学/生物 有源(active，例如压电)、无源（positive，例如荧光） MEMS与宏观传感器的比较 • 微型化，更重要是利用微效应（尺度、材料）提高性能 • 大多测量原理相同或类似，产生许多新传感原理 • 分类、信息与能量传输方式上相同，制造方式不同 最早出现、市场值最大、发展最快 第一部分 机械量微传感器 测量物理量——形变/位移 结构特征——膜片、梁，原 因 材料——硅，原因 传感器按测量参数分类—— 压力、加速度、角速度、直线 或角位移 敏感机理——压电、压阻、 电容、电感、谐振 压电检测原理与特点 原理——压电效应/逆压电效应 Di dij Ei 压电系数（n×m）矩阵`其简化考虑 S j YTj dij Ei 主要压电常数d33、d31 特点：分辨率高（测基因）、响应快、工艺兼容性 应用：麦克风、超声传感器、压力传感器、位移变形 压阻检测原理与特点 原理——压电电阻效应；形变破坏能带结构、改变电子 迁移率和载流子密度。 压阻系数（n×m）矩阵 特点：温漂大；电阻最大变化率为5%，灵敏度不是很高； 结构简单可靠 应用方式——多为推拉信号的桥式结构 电容检测原理与特点 原理简单 特点：零漂小、结构简单、动态响应快、非接触测量。 对于侧面力的测量灵敏度较差、电容变化值大所以灵敏度 高；易受杂散电容干扰，所以须立即转换成电压信号 谐振检测原理与特点 原理——膜片或梁谐振频率随应力变形而改变 激励方法——电阻热、静电、压电、电磁、光热等 检测方法——电阻、电容、压电、电磁、光等 特点： 直接输出频率数字量，无需A/D转换，直接与数字系 统联接；闭环工作，性能主要取决于谐振子的机械性质，受 电路参数（如电漂移、噪声等）变化的影响很小，测量精度、 稳定性及测量分辨率均较优。 一、压力传感器 主要结构特征-膜片、双固梁；敏感机理-压阻、电容、谐振 1、电容效应压力微传感器 结构：敏感电容Csen、参考电容Cref。 改进结构：使Csen变化处处相等 结构参数量级：方膜片2mm×2mm、厚度20μm，极板间隙1μm 测量电容值0.1-10pF，改变量更微小 1、电容效应压力微传感器 测量放大电路 由于所测电容值很小，对测量放大电路的要求与措施： 必须具有很小电容——集成制作 必须具有很低的温度漂移——采用差动结构方案，对输入的 杂散电容和环境温度的变化不敏感，因为同向变化 特点 灵敏度高——高于压阻式10倍以上 功耗低——低于压阻式2个数量级 温漂小——所以重复性和长期稳定性好 2、谐振效应压力微传感器 结构——闭环工作。R谐振子，E激励器，D振动信号检测器， A放大调频电路。谐振频率（固有频率）受被测量M的调制。 谐振结构的总能量 Q 2 每循环耗散能量 高的机械品质因数 降低维持能耗 降低因能耗产生的测量误差，在满量程里稳定振动而不漂移 通常方法：在真空中工作 2、谐振效应压力微传感器 结构——北京航空航天大学微机械传感技术实验室，电阻 热激励、电阻检测式。工艺解释 性能——实用的精度已能达到0.01% 二、加速度传感器 主要结构特征-悬臂梁；敏感机理-压阻、电容、谐振 1、谐振效应加速度微传感器 原理、结构（参数量级例：敏感质量1.55mm×2mm×0.3mm， 支撑梁350m×200m×22m，谐振梁700m×200m×5.5m。固有频 率约1.5kHz） 激励、检测方法 1、谐振效应加速度微传感器 结构设计原则 梁的频率设计——比系统高出几十倍 谐振梁结构、模态选择 支撑梁结构特征、双支撑的目的 交叉轴加速度解耦 气体压膜阻尼 分辨率指标——分辨位移约为 5 104 nm / Hz 加速度约为0.1 g / Hz 2、电阻效应加速度微传感器 适用要求 加速度值大——侵彻武器2×105g 响应速度快——汽车安全气囊，ms时间内完成反应 可靠性高 可靠性的措施——阵列式 电子科技大学成果 8个相同的硅悬臂梁 压阻效应，悬臂梁根部扩散电阻， 同时将惠斯顿电桥扩散在同一芯片 能够测试1.13×105g加速度 3、0位平衡式硅电容效应加速度微传感器 原理、结构 采用该原理的原因 性能特点 作为微执行器的特点 •灵敏度很高——低频微弱加速度 •精度高——满足惯性导航要求 •量程较小—— 控制电路 目的：脉冲宽度调制信号的占空 比与加速度成正比 三、硅谐振式微陀螺（MMG） 陀螺技术发展 机械转子陀螺仪——激光陀螺、半球谐振陀螺——光 纤陀螺——MMG现状 谐振式（MMG多采用）原理 •主振动——绕z旋转——y方向交 变的哥氏力Fc——形成辅振动 •检测y(t)，幅值与绕z旋转角速度 的大小成比例，相位与绕z旋转方 向有关 Fc 2m(z vc ) MMG的关键技术问题 完全轴对称谐振微结构及其应力释放 ——消除驱动、检测运动的动平衡差异 相对制造精度 ——引入纳米制造技术的前景 激励和检测技术 ——静电激励和电容检测 高Q值 ——真空容腔内振动 信号检测电路 ——分辨率10-18F、强抗干扰能力 一种较为理想的结构 结构特点 •理想的完全轴对称 •制造容易 •稳定、抗干扰强 原理 现状 •材料特点 •已达惯导级指标 •球直径60-150mm 发展成MMG存在的问题 四、流动微传感器 特点 •尺度小 ——实现宏观流量点控制、适合于微流量系统 •阈值低、灵敏度高 ——精确的流量、流速控制 应用 典型产品例 热风速微传感器 第二部分 非机械物理量微传感器 ——声、光、电、磁、热等 一、磁微传感器 物理原理—— 电磁感应/磁场电效应/核子效应/超 导量子干涉/磁致伸缩/磁光效应等 特点 ——特别有利于微型化 •结构尺寸小 •与IC兼容性好（工艺、材料、工作条件） 传统应用——磁强针，磁罗盘、电流探测器、磁读出 头以及无刷电机中的转子位置探测器等 1、霍尔器件 霍尔传感原理与宏观霍尔器件 MEMS霍尔器件结构与原理 应用情况与问题 • 提高灵敏度 • 降低漂移 2、磁阻元件 铁磁性薄膜磁阻元件/半导体磁阻元件 原理 材料在磁场中表现出的电阻率各向异性 结构 磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长 度x方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度y方向等 电阻率与磁场关系推导 R( H ) R0 R( H y / H s )2 ——存在问题：非线形关系 2、磁阻元件 施加偏场的方法 ——解决线性化问题 重要用途 ——磁盘驱动器中 的读出磁头 器件发展 •MR-GMR-MI •灵敏度指标 %/Oe 3、磁通门 原理 •固有状态 •在外加磁场信号的影响 ——通过分析脉冲的相位变化，可测 量外加磁场的大小 ——最常用的形式：读出偶次谐波， 傅里叶分析出结果 特点 •直流或很低频率 •高灵敏度10-10T 3、磁通门 MEMS磁通门结构 •材料选用 ——线圈/磁芯/绝缘层/基底 •注意工艺结构特点 •分析工艺兼容性 4、磁微传感器性能对比分析 霍尔器件 •灵敏度、精度、频率一般 •结构简单、工艺成熟、成本低 ——适合于电机等普通场合 磁阻元件 •参数变化比大 •频率高 ——重要用途：磁盘驱动器中的读出磁头 4、磁微传感器性能对比分析 磁通门 •灵敏度最高 •成本高 ——适合高精度传感（例如导航） ——微型化成本降低则前景很好 磁微传感器应用 •磁通门导航罗盘（飞机、导弹、卫星、汽车和潜艇） •位置传感 •非接触型流速计 •非接触型电流测量 •金属物体探测 •古磁学测量 •磁性油墨的读出等 二、热微传感器 1、热敏电阻（RTD: resistive temperature detector） 工作原理 /温度系数 /线性化 2、热电偶 • 三个热电效应原理 塞贝克See-back 珀耳贴Peltier 汤普森Thompson • 普通热电偶原理 • 理想参考结点热电偶测量原理 2、热电偶 •材料选择 铁/康铜，铂/铂-10%铑，半导体/金属 •热电偶堆（thermopile） 灵敏度，红外辐射（IR）无源传感器 3、其他新原理温度传感器 •商品化的IC精密温度传感器 •量热传感器 •铋-锑结阵列薄膜热电偶式传感器 •基于热电偶原理的酵素微传感器 4、温度传感作为其他传感器的基础 ——再述微流速计例 三、光微传感器 1、光电传感器 外光电效应——真空光电管、光电倍增管等 内光电效应——真空光电管、光电倍增管等 •光电导效应——半导体光敏电阻，当光辐射时半导 体材料电子和空穴增殖 •光生伏特效应（光伏效应）——光电池/太阳能电池类； 光敏晶体管类（光敏二极管/三级管、PIN光敏三级管、 肖特基势垒光敏二极管、雪崩光敏二极管（APD）等 特点——直接利用材料光-电转换物理效应 2、光纤传感器 优点：灵敏度高、电绝缘性能好、抗电磁干扰、耐腐蚀、 耐高温、体积小、重量轻等——应用灵活、适应面广，开 辟了很大应用空间 传感型 既传光，也是敏感元件 光纤内光传输特性受被测物理量作用（例如材料机械变形） 而发生变化，使光的属性（光强、相位、偏振态、波长等） 被调制。探测的对象往往不是光，严格地讲各属于机械量 等传感器。 传光型 严格地讲不是传感器原理，而只是一种传输光线结构 3、光强传感器——光干涉传感器分类 （光纤传感型中） 光强传感型 实例包括：水下声波传感器、光纤微弯曲传感器、耦合波 导传感器、移动光纤水听器、光栅传感器、偏振传感器及 全内反射传感器等 光（相位）干涉传感型 光纤陀螺仪、声传感器、光纤光磁传感器（通过磁致伸缩材 料外壳转换）等。 经过特殊掺杂或表面涂层的光纤——机械量传感器（加速度 计，测量液面位置、形变、位移、力矩、流量的探测器）； 辐射剂量测定仪、电流传感器、温度传感器； 第三部分 生物、化学成分微传感器 微型化在生化成分检测中的优势 一般尺度效应 •突破宏观检测阈值——微小电极对微小样品，即使样品电 导率很小，极小电流也能形成有效的欧姆电压 •电极微小，电流输出受对溶液流动不敏感 •电容式接地的电流与表面积成正比，从而改善信噪比 •微电极的响应快速 形成许多新的检测原理 实现微量样本的检测 常用的结构形式 •薄膜、 微纳结构表面吸附生化成分 •电极浸入生化液体 封装特点 •需要一块暴露区域，为提高效果希望接触面积大 •需要考虑环境损伤问题 •影响封装完整性，增大封装难度 1、半导体气敏微传感器 材料 氧化物半导体，SnO2基最常用 原理 • SnO2氧化物活性材料是一种N型半导体 • 较高温度时，空气氧接受由N型SnO2薄膜提供的电子成 为阴性粒子 • 还原性气体将与原先吸附的氧阴离子发生反应而带正电， 或者还原性气体与吸附的氧原子发生反应而释放束缚电子 特点 Gg •灵敏度高——表达法 S Ga •成本低 •时间响应快 •低能耗 •长期漂移 •选择性较差 ——改进掺杂贵金属 •易受温度、湿度干扰 应用 • 大气污染、有害气氛等检测——一氧化碳、硫化氢等 • 火灾检测与燃烧控制——低浓度可燃气体或一氧化碳、 氢、甲烷等还原性气体 • 有毒危险气体的检漏 • 人体检测——乙醇、麻醉试剂等 工艺 IC薄膜工艺 ——当前主流工艺 • CVD法——双气体混合反应 氮气携带含锡的有机复合物蒸气——与基板表面吸附的氧 反应形成氧化物——高温退火形成SnO2气敏膜 参数：膜厚和晶粒尺寸在几十纳米至几百纳米范围内 •蒸发法 ——单质沉积后再反应 纯锡金属（或锡合金）加热沉积——在含氧气氛中高温转 变成氧化物。参数：膜厚几百纳米量级 •制备条件控制膜厚和晶粒尺寸——决定响应时间等性能 工艺 初始工艺 ——用SnO2粉末烧结成多孔厚膜 厚膜工艺 •采用丝网印刷，将气敏膜印刷到Al2O3基板上 •活性层的厚度约在几个微米至几十个微米之间 优点 •气敏层多孔——有利于增大接触面积 •传感元件几何形状多样（例如共面、叉指或夹心型） •设计制作简单 结构 IC薄膜工艺形成结构 半导体化学传感器 ——离子敏感场效应晶 体管 ISFET 2、电化学微传感器 原理与结构 •基于传统的电化学分析原理 •与固态或液态电解质接触 •多个电极组成的电化学电池 引入新技术 •微加工工艺技术 •新材料（固态电解质、导电高聚物等） 工作模式 •电导/电容测量 •电位测量测量 •伏-安特性测量 3、生化成分的声学微传感器 声学传感器——利用频率MHZ-GHZ的弹性波测量物理、生化 量•灵敏度很高——化学蒸汽和气体的微量测量 •输出频率——简单而精确的读出 •动态范围大、稳定可靠 原理发展 振动式阶段 ——厚度剪切模式，以石英晶体微平衡器（QCM）为基础 传播式阶段 •固体表面传播的声表面波（SAW） •在很薄的弹性膜中传播的弹性弯曲平板波（FPW） •声平板模式（APM） 模式对比 SAW气体传感器 采用SAW的原因 •频率高，所以灵敏度更高 •结构上——平面结构、易于微型化；易于并行制作参 考器件作为补偿以提高精度 结构与原理 •在传播路径上吸收膜，时间延迟而引起频率变化 •双通道的优点 •基板材料——一般银酸锂，少数用硅或石英 •振荡器材料——氧化锌压电薄膜 独特性质 对吸附-脱附过程不需要电荷或热的变化 SAW气体传感器 应用 技术难点——制备选择性强的薄膜 补偿方法 ——阵列化 ——测量传播速度、衰减与气体浓度之间的关系 本章学习要求 掌握传感器的两个部分、按照探测物理量的分类、 测量系统结构、特征性能。 掌握压力传感器的压阻、电容、谐振传感原理； 加速度传感器的压阻、电容、谐振传感原理，特别 是各传感结构；角速度的谐振传感原理。了解流动 参数传感器基本传感原理。 掌握声表面波、电、磁传感器的传感原理。掌握 光传感器、热传感器的传感机理。 掌握半导体气敏传感器原理，了解电导率/电容、 电位、伏安特性电化学传感器原理。 本章重点难点 重点：传感器的按照探测物理量的分类； 压力传感器原理；惯性参数传感器原理；声、 电、磁、光、热传感器原理；电化学传感器 原理；半导体气敏传感器原理 难点：传感器的特征性能；谐振传感原理； 电化学传感器原理等 作业：教材第207页第1-10题