MEMS微传感器的工作原理(1)Word文档格式.docx
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M5mm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微传感器的分类
按物理参数分光（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）微传感器的分类
按传感机理分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。
E
压阻变化的具体过程
电阻的基本关系式
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；
3）半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在
（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利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得
（2）电容敏感原理
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
（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：
（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
Itµ
Vb×
exp-a×
j×
d；
为有效隧为直流驱动电压，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（0.5eV，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。
d
:
隧道电流，单位为A；
直流驱动电压，单位为V；
常数，等于:
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。
；
有效隧道势垒高度，单位为eV；
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。
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。
（5）谐振式敏感原理（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DT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测量范围大小小大精度中高高低频响高中中高线性度较好较好较好较好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热敏电阻电桥结构工艺简单复杂复杂简单技术成熟性好差差好热对流式大中低较差
一般复杂差各种敏感原理的优缺点
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、振动和冲击压阻式微加速度计电容式微加速度计压电式微加速度计隧道电流式微加速度计压敏电阻
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梁
基座东南大学研制的压阻式大加速度计，在同一块芯片上设计了两种结构传感器——单悬臂梁和双悬臂梁结构单悬臂梁微加速度计双悬臂梁微加速度计东南大学压阻式微加速度计样品SEM（扫描电镜）照片美国ICSensor公司生产的压阻式加速度计电容式悬浮支架
固定支架
质量块
衬底导电电极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。
“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
敏感质量位移齿基底立柱
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。
隧道电流式
悬臂梁隧道式微加速度计，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。
敏感质量
m
压电晶体
敏感轴方向压电式微加速度计原理示意图P阱电阻输出FET放大器传感电容源极悬臂梁
Vdd
比较电容氧化锌根切压电式微加速度计的结构微陀螺仪n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
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环境应力
压敏电阻参考压力氮化硅
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
电极玻璃衬底东京大学接触电容式压力传感器结构东京大学接触电容式压力传感器谐振式
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。
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。
清华微电子所研制的微型克风，表面工艺与体硅工艺结合制作，在单片硅片上实现了主要结构，采用纹膜结构提高灵敏度。
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）。
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。
l利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电n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。
l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。
u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。
u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。
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。
热电偶在热电偶电路中另外加一个节点，并且使其温度不同于其他节点的温度，这样就可以从电路中引入一个温度梯度。
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。
图热双金属片弯曲（a1>
a2）热双层片由在纵向上连在一起的两种材料构成，两种材料构成一个机械单元。
它们有相同的长度，但热膨胀系数（CTE）不同（a1>
a2）.当温度均匀变化△T时，两层的长度变化不一样。
梁向热膨胀系数较小的材料层一侧弯曲。
横向的梁弯曲由此产生。
许多常用的机电恒温器都运用了这一原理。
恒温器是一个螺旋的双层金属线圈。
卷丝梁的末端与继电器连接在一起，继电器是含水银的密封玻璃管。
当环境温度变化时，线圈的末端倾斜并触发水银滴继电器的移动，从而控制加热/冷却电路中的电流。
静电和热双层片执行的特点
静电执行低频时低功耗优点很快的响应速度较小的运动范围缺点同等位移下较小的覆盖面积因电流产生欧姆热，工作效率较低热双层片执行较大的运动范围需要大的面积和覆盖区因时间常数受制于加热以产生较大的力和位移和散热，响应速度较慢微传感器的实例（4）——电磁
微型磁强计
定义：
利用MEMS技术制作的，把磁场强度和方向信号转换为电信号输出的器件。
微型磁强计按工作原理主要可分为两大类：
电磁效应式和机械式。
微型磁通门式磁强计
磁通门式磁强计由绕向相反的一对激励线圈和检测线圈组成。
磁芯工作在饱和状态。
当被测磁场为零时，两个磁芯中的磁通量大小相等，
方向相反，在测量线圈中无电压产生。
当被测磁场不
为零时，在测量线圈产生感应电势。
微型磁通门式磁强计例
（1）
德国于1995年研制的微型磁通门磁强计，利用CMOS工艺制作线圈。
尺寸为1mm×
1mm×
1um，灵敏度为9.2mV/uT微型磁通门式磁强计例
（2）
日本于1994年研制的三维螺线管线圈，尺寸为4.9mm×
4mm，灵敏度达到2700V/T，分辨率达到10-7T机械式微型磁强计
布有线圈或永磁体的微梁在磁场中受力变形或运动，
通过测量该变形或运动，获取磁强信息。
测量方式有：
压阻式、电容式、隧道效应式等。
谐振式微型磁强计例
（1）
美国UCLA于1997年，在二氧化硅梁上支撑着一线圈，线圈通上交变电流，在Lorentz作用下梁发生振动，利用压敏电阻测量其振幅。
分辨率为10-8T，Q为10。
谐振式微型磁强计例
（2）
表面工艺制作，叉指电极电容检测真空封装：
0.76Torr，灵敏度：
900
000V/A×
T隧道效应磁强计例美国JPL于1996年研制，用于搭载在小卫星上，测量地球磁场。
分辨率：
2.8mT/Hz1/2，驱动电压：
120V，尺寸：
1cm×
0.6cm微型磁强计的应用
安全：
安全检测、交通车辆检测医疗：
核磁共振仪器、导管定位测量工业：
机器人位置测量、转速编码器国防：
探雷、导航、战场侦察其它：
地质勘探微传感器的实例（5）——生物医学
微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。
在生物医学中，常用的两类传感器是：
（1）生物医学传感器
（2）生物传感器生物医学传感器用来检测生物学物质，生物传感
器可以被更广地定义为任何含有生物成分的测量设备。
这些传感器通常涉及生物分子，例如生物抗体和生物酶，它们与被测分析物互相作用。
生物医学传感器
生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。
它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。
生物医学传感器实例
血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应：
葡萄糖＋O2葡萄糖酸内酯酶+H2O2反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。
于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。
生物传感器
生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些分子包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。
这些生物分子附着在传感元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感器的输出信号。
微传感器的实例（6）——化学
化学传感器用来检测特定的化合物。
工作原理：
很多物质对化学作用都很敏感。
比如，很多金属长时间暴露在空气中都有被氧化的危险。
金属表面显著的氧化层能改变材料的性能，例如金属的电阻。
这些自然现象就是设计和发展微化学传感器所依据的原理。
材料对特定化学物质的敏感性是很多化学传感器的基本原理。
化学电阻传感器
有机聚合物和嵌入的金属植入物一起使用。
当这些聚合物暴露在某种气体下时，可以使金属的电导发生变化。
例如，一种特殊的聚合物苯二甲蓝和铜一起来检测氨和二氧化氮气体。
化学电容传感器
某些聚合物可以用作电容的电介质材料。
当它们暴露在某种气体中时，可以使材料的介电常数发生变化，从而改变金属电极间的电容。
比如用多乙炔PPA来检测如CO,CO2,N2。
化学机械传感器
有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿度的改变）。
我们可以通过测量这种材料的尺寸变化来检测这种化学物质。
金属氧化物气体传感器工作原理和化学电阻式传感器类似。
有些半导体金属，如SnO2，当吸收了某种气体后可以改变自身的电阻。
微传感器的实例（7）——其它微型触觉传感器
触觉传感器其敏感元件直接与固体接触。
荷兰Delft大学研制的三维电容式触觉传感器。
32´
32个元件的压阻式敏感法向压力的触觉传感器。
有1到2mV.cm2/Kg（»
10到20mV/kPa）的灵敏度。
声波传感器
声波传感器的主要应用是测量气体中的化学成分。
这些传感器通过将机械能转化成电能来产生声波。
声波器件同样也用于在微流体系统中驱动流体。
这种传感器的激励能量主要由以下两种机理来提供：
压电效应和磁致伸缩效应。
然而，对于激励声波，前者应用更为普遍。
四种主要的声波传感器类型微型红外传感器红外传感器主要由隔热空腔及其上的热电堆、pn结、热敏电阻等感温元件组成。
密西根大学研制的红外阵列传感器，敏感元件为375mm×
375mm，有32个n-p型多晶硅热电偶组成的热电堆，其灵敏度为30V/W。
光纤敏感
基于光线的敏感方式是利用光纤中光的相位和强度与光纤弯曲度、光纤上的机械应力、温度等有关这一原理。
如果一段光纤是直的，光在其中会走过一段特定的光学路径。
如果光纤由于机械形变而产生弯曲，那么新的有效光学路径将导致光在光纤末端输出时的相位和强度发生变化。
基于场效应晶体管（FET）传感的加速度计
晶体管工作原理：
以N性衬底为例，当没有施加电压时，源区和漏区之间几乎没有电流；
当施加足够大的负电压后，就会形成反形区，该反形区被称为沟道，它帮助电流顺利在源和漏之间流动。
利用FET栅的位移敏感的加速度传感器
加速度计的振动质量块是FET的栅，从而栅与沟道之间的距离与施加的加速度有关，距离的变化将使晶体管的阈值电压UT的值发生变化。
射频谐振敏感——谐振式压力传感器
平面螺旋电感覆盖在有低温共烧陶瓷制成的压敏薄膜上。
电感的中央接触尺寸被有意放大，使其能与对面的电极表面构成一个可观的电容。
如果压力发生变化，薄膜将产生形变位移，相应的电容值将发生变化。
同时电感值也会随着薄膜的弯曲而改变。
即谐振电路的谐振频率与压力有关。
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