機械微傳感器

機械(jīxiè)微傳感器

劉星精品資料傳感器：能感受(gǎnshòu)規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件。微傳感器：就其測量原理、信息與能量傳輸方式上，與宏觀的傳感器差異(chāyì)不大，僅是幾何尺寸的微型化。傳感器物理化學生物……機械……2壓力加速度……精品資料3壓力(yālì)微傳感器敏感元件（感壓）：硅膜片敏感機理：壓阻效應、電容效應、諧振效應。壓電效應：能將某一方向的彈性形變與該方向或不同方向上的位移電荷/電場強度通過壓電系數(xìshù)聯系。壓阻效應：材料受到外加應力時其體電阻率發(fā)生變化的材料性能。電容效應：C=εS/d諧振效應：膜片的諧振頻率隨壓力變化而改變的函數關系確定被測壓力。精品資料4（a）原理：在膜片上擴散(kuòsàn)電阻，并連成惠斯通電橋。感壓過程：當壓力作用在膜片時，膜片產生形變，電阻值變化，電橋失衡，失衡量(héngliáng)與被測壓力成比例。（a）壓阻效應壓力微傳感器惠斯通電橋原理圖缺點：結果隨溫度變化明顯。惠斯頓電橋：由4個壓敏電阻組成。當傳感器上沒有壓力時，橋中的所有電阻值都相等。當有外力施加于電橋時，兩個相向電阻的阻值將增加，另兩個電阻的阻值將減小，增加和減小的阻值彼此相等。精品資料5（b）電容效應(xiàoyìng)壓力微傳感器（b）原理：沉積在膜片上的金屬層形成電容的活動電極，另一電極沉積在襯底上，二者構成(gòuchéng)平行板式電容。

C=εS/d感壓過程：當膜片感受到壓力作用彎曲時，d改變，引起C變化，其變化量與被測壓力相對應，繼而得知被測壓力。優(yōu)點：零點漂移小、結構簡單、動態(tài)響應快、易實現非接觸測量；缺點：對于側面力測量靈敏度差，易受雜散電容干擾。精品資料6電容(diànróng)效應壓力微傳感器圖為根據差動原理設計(shèjì)的硅膜片電容效應壓力為傳感器的結構剖面圖。敏感電容Csen位于感壓硅膜片上，參考電容Cref位于壓力敏感區(qū)之外。感壓的方形硅膜片用化學腐蝕法制作在硅芯片上，硅芯片的上、下兩側用靜電鍵合技術分別與硼硅酸玻璃固結，形成有一定間隙的兩個空氣電容器。當硅膜片感受到壓力p作用變形時，導致Csen變化。精品資料7根據(gēnjù)彈性理論板殼計算公式可求（x，y，z）ω

例：計算(jìsuàn)膜中心處的ω(x，y，z）?已知：膜中心處x=0，y=0，ω(x，y，z）變化最大。由上式課得：

其中：a、δ分別為方膜片的邊長和厚度。由于硅電容壓力傳感器是微結構，故a一般很短，常用面積為2mm*2mm。δ視被測壓量程來定。入0kpa~100kpa量程，δ設計約20μm，d約1μm精品資料8由微尺寸構成的電容器的電容值也是微量值（一般(yībān)10pF），其該變量ΔC=Csen-Cref就更微小。測量如此微小的電容其測量放大器電路需滿足條件:1.高的靈敏度；2.低的漂移(piāoyí)。問題：普通傳感器采用的分立設置的電容器和測量電路能否照搬到微傳感器呢？分析：顯然不能，分立設置方法，其引線和連線的雜散電容就可能有幾十個皮法，這樣無實際意義。解決方法：將電容器和測量電路盡可能靠近或制作i同一塊硅片。這就需用到微加工技術實現，MEMS的優(yōu)勢。精品資料9電容效應壓力微傳感器采用ΔC=Csen-Cref這種差動結構方案，優(yōu)點：測量電路對輸入的雜散電容和環(huán)境溫度的變化不敏感，因為這些信號均被作為(zuòwéi)共模信號而被抑制。測量電路原理：電容首先充電，其電荷量與Cref比較(bǐjiào)，二者差值ΔC=Csen-Cref由差動積分器轉換為電壓，電容-電壓轉換的靈敏度受電荷累加率控制，電壓再經A/D轉換為二進制輸出，轉換序列根據逐次逼近的A/D轉換算法得到。電容效應壓力微傳感器采用開關-電容電路測量電容最合適？（電路由差動積分器、A/D轉換器、開關和電容等組成，在時鐘信號控制下工作）開關-電容電路測量電容的優(yōu)勢：其工作不受雜散電容的影響，高靈敏度和精度。精品資料10為使板級間感壓電容Csen的變化處處相等，實際上常把硅膜片設計成有硬件中心的結構(jiégòu)形式，如右圖。電容效應壓力微傳感器的靈敏度高，適用于低壓量程測量，如聲壓（0.1pa）級信號。在生物、醫(yī)療、航天航空、工業(yè)過程檢測、汽車工業(yè)及流體控制等領域應用前景(qiánjǐng)廣闊。精品資料11比較硅膜片電阻/電容效應(xiàoyìng)壓力微傳感器1.電容式的靈敏度是壓阻式的10倍以上(yǐshàng)；2.電容式的功耗比壓阻式低2個數量級；3.電容式輸出的重復性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于壓阻式。原因：壓敏電阻的壓阻系數隨溫度變化的改變明顯，而電容效應壓力微傳感器的工作機理則避開了壓阻溫度效應，故電容效應壓力微傳感器的輸出比壓阻效應壓力為傳感器的輸出隨溫度的變化要小得多。工作機理：物理法則、物性法則精品資料12（c）諧振(xiézhèn)效應壓力微傳感器（c）原理(yuánlǐ)：由膜片的諧振頻率隨壓力變化而改變的函數關系確定被測壓力。諧振效應：閉環(huán)模式工作。R：諧振子M：被測量E：激勵振子發(fā)生諧振的激勵器D：振動信號的檢測器A：放大調頻電路諧振效應壓力微傳感器原理圖感壓過程：膜片由電容激勵而發(fā)生諧振，諧振頻率為f0，當膜片受到氣體壓力作用時，其剛度改變，引起頻率增加Δf

,Δf則對應被測壓力。優(yōu)點：性能主要取決自身，測量精度、穩(wěn)定性及測量分辨力較好。精品資料13加速度微傳感器敏感(mǐngǎn)元件：硅梁敏感(mǐngǎn)機理：諧振效應、壓阻效應。①諧振(xiézhèn)效應硅梁式加速度微傳感器對于微米和亞微米級的加速度檢測，利用諧振技術，對質量位置變化的敏感具有足夠高的分辨力和靈敏度。工作原理：將被測a轉換為載荷，作用于懸掛在硅梁上的敏感質量，導致硅梁產生拉伸或壓縮應變，使硅梁的諧振頻率發(fā)生變化。諧振頻率的變化量與被測a成比例，得到a。分辨敏感質量的位移約為5*10-4nm/Hz1/2加速度約為0.1ug/Hz1/2精品資料14圖為一種硅懸臂梁式加速度傳感器結構組成：塔形敏感質量m懸掛在與其中心軸線平行(píngxíng)且對稱的兩根支支撐梁的一端；諧振梁用于信信號檢測（位于兩根支撐梁之間）。制作方法：光刻和腐蝕(fǔshí)懸掛系統會干擾諧振梁的諧振頻率？如何提高諧振梁品質因數Q？把諧振梁設計成并行3梁形式；選用反對稱相位的3階模態(tài)作為硅梁的諧振模態(tài)。精品資料②壓阻效應(xiàoyìng)陣列式加速度微傳感器測試(cèshì)沖擊加速度時，要求測試(cèshì)加速度值大，響應速度快，可靠性高的傳感器。由于MEMS的加工技術不斷完善，使得一個芯片上制作多個微傳感器成為現實。實例：測試105g的陣列式加速度微傳感器，采用微傳感器陣列版圖設計方法。原理：由8個相同的硅懸臂梁組成，在懸臂梁根部擴散電阻，同時將惠斯通電橋擴散在同一芯片上。傳感器位置布置圖15加工方法：光刻、濺射精品資料16陣列(zhènliè)式加速度微傳感器的版圖如圖分析：