现代检测及仪器-MEMS传感器与数字传感器.ppt

主要应用领域 机械特性检测 土木结构状态监测 汽车 机器人 自动化 地震记录 结构主动控制 卫星导航、武器制导 消费电子 生物医疗 应用/功能/传感器类型 2)微传感器的特点 (1) 微机械传感器的优点 (a)传感器性能得到极大提高 信号在传输前放大，减少了干扰和传输噪音，提高信噪 比；在芯片上集成反馈线路和补偿线路，可改善输出的线性 度和频响特性，降低误差，提高灵敏度。 (b)具有阵列性 在一块芯片上集成敏感元件、放大电路和补偿线路；把 多个相同的敏感元件集成在同一芯片上。 (c)良好的工艺兼容性 便于与微电子器件集成与封装 (d)成熟的硅微半导体加工制造工艺 可批量生产，成本低廉（包含测试成本）。 2)微传感器的特点 (2) 微机械传感器的突出特征 敏感结构的尺寸非常微小。典型尺寸在?m或亚?m级；体积只有传统传感器的几十分之一乃至几百分之一；质量从kg级下降到g级，仅十几至几g。 微传感器绝不是传统传感器按比例缩小的产物，其基础理论、设计方法、结构工艺、系统实现以及性能测试和评估等都有许多自身的特殊规律与现象，必须进行有针对性的理论与试验研究。 4)微传感器中敏感结构的模型问题 (1) 微尺度效应： 敏感结构的尺寸非常微小，典型尺寸在?m级或亚?m级，分析、研究其工作机理，需特别注意可能产生的尺寸效应。 对于利用微型敏感元件结构特性的传感器，如经典的硅压阻式、硅电容式和硅谐振式传感器等，理论与试验研究表明，在目前的几何结构参数范围内(中观)，其尺寸效应可忽略。 对于进一步发展的以及其他利用特殊敏感膜特性实现测量的微传感器，要考虑几何结构参数（亚?m级以下、微观）的尺寸效应。 4)微传感器中敏感结构的模型问题 (2) 微传感器的检测问题 从敏感结构上直接检测到的信号非常微弱，例如电 压信号在?V、亚?V量级；电流信号在nA量级；电容值 低于pF，在fF量级。微传感器中有用信号远远低于噪声 电平，并与噪声信号始终混叠在一起。所以高噪声背景 下的微弱信号检测，是实现微传感器必须要解决的关键 问题之一。 常用弱信号检测技术： 滤波技术、相关检测、锁相环技术、时域信号取样、随机共振、平均技术及开关电容网络技术等。 4)微传感器中敏感结构的模型问题 (3) 微传感器的激励问题 微弱信号使得对敏感结构上的输入激励信号难控制，敏感结构尺寸微小，使输入激励信号需要严格控制，稍微偏大将使敏感结构的工作性能变坏，使其不能正常工作，甚至使其永久损坏。 若加载到敏感结构上的输入激励信号过于弱小，将不能获得较理想的敏感特性。 5) 微传感器中应用的材料* 敏感结构材料首选硅(单晶、多晶、非晶和硅蓝宝石等) --半导体具有优良的力学性质，功耗低。 单晶硅：机械品质因数理论值达106，弹性滞后和蠕变非常 低，长期稳定性好，导热性很好（为不锈钢的5倍，热胀系 数仅为不锈钢的1/7)，各向异性，非常适于制成片状结构 多晶硅：单晶(晶粒)的聚合物。这些晶粒排列无序，不同 晶粒有不同的单晶取向，每一单晶内部具有单晶的特征。 非晶硅：具有许多晶体材料难得的特性，多用于制作温度 传感器、光电器件和光电式传感器等。 硅蓝宝石：一种在蓝宝石(α-A12O3)衬底上应用外延生长 技术形成的硅薄膜。由于衬底是绝缘体，可实现元件之间 的分离，且寄生电容量小。 2.2.2 典型微机械传感器 微加速度传感器 AccuMicroMotion, a single-chip solution for six-degree-of-freedom motion sensing Schematic topology of the z gyroscope. SEM picture of the fabricated gyroscope (b). The x and y position sensing comb fingers are not shown in (a). 基于隧道的微机械红外传感器 微机械型电容红外传感器 结论：Q值越高，谐振子谐振状态越好！ 1 2) 谐振子的机械品质因数 Es-谐振子储存的总能量 Ec-谐振子每个周期由阻尼消耗的能量 材 料 工 艺 设 计 环 境 ？提高Q值 2) 谐振子的机械品质因数 1) 基本结构 2) 闭环系统的实现条件 3 闭环自激系统的实现 1)基本结构 拾振器 谐振敏感元件 开环特性 激励器 放大器 3 闭环自激系统的实现 1) 基本结构 3 闭环自激系统的实现 E、R、D组成电-机-电谐振子环节； E、R、D、A组成闭环自激环节； R、D、O(C)组成信号检测