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1、第五章 压阻及压电传感器,压阻效应的概述 压阻传感器材料 -金属应变计 -单晶硅 -多晶硅压阻传感器的应用压电敏感的概述 压电材料的特性 -石英 -PZT -PVDF -ZnO -其他材料应用,压阻效应的概述-压阻效应的起源和表达式,压阻效应是Lord Kelvin于1856年首发现的，它是一种广泛应用的传感器原理。这种效应为机械能和电能之间提供了一种简单直接的能量与信号转换机制。今天它已经运用在MEMS领域的很多传感器应用中，包括加速度计、压力传感器、生物传感器等。,压阻效应的概述-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
2、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,电阻的基本关系式,电阻率的变化率,电阻的变化率,其中，,为压阻系数,压阻变化的具体过程,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70-170之间。,在正交坐标系中，沿任一晶向分布的压敏电阻，电阻的变化率与应力的关系为：,其中,主晶轴坐标系下的纵向、横向及剪切压阻系数,P型压敏电阻的变化率为,N型压敏电阻的变化率为,压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥,输出电压,金属应变计 典型
3、的应变计形状如右图所示。通常用之字形的导电通路以便在给定面积下来有效的增加电阻的长度和总电阻的大小。,压阻传感器材料-金属应变计,金属应变计金属应变计是商业化的器件，经常被制作成金属包层的塑料片形式，然后黏附到所研究的机械薄膜表面。电阻刻蚀进金属镀层中。金属电阻通常通过淀积（蒸发或溅射）然后成型。应变系数范围从0.8到3.0的单元素金属薄膜可以用作MEMS中的应变计。单元素金属薄膜的来源和淀积工艺都已经成熟可用。就压阻系数而言，由薄膜金属制作的应变计没有半导体应变计的性能优越。但是对于很多应用来说，金属应变计可以提供足够的性能。而在制备工艺的简单性和成熟度，以及金属可提供足够的延伸量，都使其在
4、温度和可靠性方面有一定的优势。,压阻传感器材料-单晶硅和多晶硅,单晶硅 半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。电阻的主题部分应该中等掺杂（ ）。电阻的两段应该由更高的掺杂浓度，在 数量级，从而使它可以与金属引线形成欧姆接触。多晶硅 对于MEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。,压阻传感器材料-单晶硅和多晶硅,单晶硅 半导体应变计可以通过对硅进行选择性掺杂来实现。电阻的主题部分应该中等掺杂（ ）。电阻的两段应该由更高的掺杂浓度，在 数量级，从而使它可以与金属引线形成欧姆接触。,压阻传感器材料-
5、单晶硅和多晶硅,例5-1当设计硅电阻时必须仔细选择合适的掺杂浓度。成功的设计必须在以下几个要求之间进行折中，即有可观的电阻值，使压阻系数最大化，温度效应最小化。掺杂浓度会影响这三个性能。压阻的电阻温度系数（TCR）理想情况下应该尽可能的小，从而减小温度的变化。,多晶硅 对于MEMS压阻器，多晶硅比单晶硅具有更多的优点，包括多晶硅能够淀积在更多的衬底上。多晶硅也表现出压阻特性，但它的应变系数比单晶硅要小的多。,机械元件的应力分析,能够分析在给定的外加作用力或扭矩下机械元件的应力和应变分布是重要的。考虑悬臂梁，在它的自由端施加有集中的、横向负载力，横向应力负载会引起纵向应变和剪应变，在此我们忽略剪
6、应力分量。对纵向应力的分步进行定性描述。在自由端的横向集中负载作用下，横梁的转矩分布不均匀-在自由端是零而在固定端达到最大值。在任何横截面，通过中性轴的纵向应力改变符号。在横截面的任意点，应力的大小与到中性轴的距离成线性关系。,图 均匀对称悬臂梁中的应力分布,与每个横截面相关的的最大应力值随着到自由端的距离而呈线性变化，并且对每个横截面在上下表面达到最大值。这也就是压阻经常放置在悬臂梁的表面和靠近固定端的原因。,图 带压阻的悬臂梁设计,实际上，压阻总是有固定的长度和厚度。如果电阻是对硅横梁掺杂形成的，压阻器件将位于表面位置的下方（下图a所示）。另一方面，如果电阻是通过沉积多晶硅或金属层形成的，
7、压阻器件将位于表面的下方（图b所示）。,压阻式,挠度,应力,一阶固有频率,阻尼比,微传感器实例-压阻式,第一个微加速度计的剖面结构示意图,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,美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计,实例5.2 最早的微机械加工的应变式加速度传感器的实例之一是Roylance和Angell在1979年制作的器件，用于生物医疗植入，以测量心壁加速度。这个应用要求在100Hz的带宽内灵敏度约为0.01g,且要求小的传感器尺寸。 该传感器是由附着在悬臂梁尾端的刚性质量块组成。压阻位于悬臂梁的根部，它是方块电阻为 的P型
8、掺杂电阻。悬臂梁指向110晶向。,图 压阻式加速度计,图 压力传感器,压阻位于四个边缘的中间，当在膜上均匀的施加压力差使膜发生弯曲时，这些压阻的位置对应于最大张应力的区域。,压电敏感概述-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）。,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,压电材料都是晶体。微观上，压电性源于晶体中离子
9、电荷的位移，它导致极化并形成电场。并不是所有的天然晶体或合成晶体都表现出压电性。根据对称性，晶体被分为32种点群结构。其中11种为中心对称晶体，在应力作用下，它们的正负电荷中心不会发生空间上的分离，因此这些晶体不是压电材料。剩余的21种非中心对称的点群中，有20种为压电晶体。,压电材料的特性,石英 作为一种天然的压电材料，石英最熟悉的应用是手表中的振荡器,石英并不是唯一具有压电效应的晶体材料，但是由于它的谐振频率对温度特别不敏感，因此才具有这样的效应。PZT 因具有很高的压电耦合系数，锆钛酸铅Pb（Zrx,Ti1-x)O3或PZT体系以多晶结构形式得到了广泛应用。PZT 实际代表一类压电材料。
10、由于制备方法不同，PZT材料可以具备不同的结构和特性。,PVDF 聚偏二氟乙烯（PVDF)是一种具有单链的合成含氟聚合物。它呈现出压电性、热释电性及铁电性；并具有卓越的化学稳定性、机械柔韧性以及生物兼容性，PVDF的压电性已经得到深入研究。ZnO ZnO材料的生长方法很多，包括射频或直流溅射、离子电镀和化学气相淀积等。在MEMS领域，经常通过磁控溅射将ZnO淀积到不同的材料上，并使c轴接近于衬底的法向。,a.声学传感器b.触觉传感器c.流量传感器,压电传感器的应用,a.声学传感器压电微麦克风,基于MEMS的麦克风尺寸便于控制，易于小型化，可以直接与片上电子器件集成，可形成阵列结构，且因批量制造
11、而具有降低成本的潜力。,b.触觉传感器 触觉传感器的研究动机在于定量测量接触力（或压力）以模拟人的空间分辨力和敏感性，并具有较宽的带宽和较好的动态范围。,c.流量传感器压电流速传感器,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。,微执行器实例-压电执行器,压电执行器,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）。,V的典型值在10-1010-7cm/N之间变化。因此，要获得微米量级的位移，常常需要超过1000V的电压，除非使用叠加的执行器或放大机械运动的器件。,压电
12、致动微型泵,日本东北大学研制的压电堆致动微泵如图所示。该微泵依靠致动器推动薄膜变形，引起腔体内压强的变化，驱动单向阀工作，使气、液体定向流动。压电堆的轴向变形和驱动力都比较大，最大流量为40L/min，最高背压为1mH2O。,压电式微执行器实例(1),德国Ilmenau技术大学研制的压电致动硅微无阀泵，其最大流量为7.5mL/min，最大背压为2.8kPa。,压电式微执行器实例(2),压电式微执行器实例(3),压电扫描隧道显微镜探针,压电扫描隧道显微镜探针的运动模式为,如图所示将一片晶体安装在微执行器的一根弹性硅梁上。在压电晶体上加电压使其产生形变，引起弹性硅梁的弯曲。压电晶体致动器在微定位机构和微型夹具等方面都有应用。,压电式微执行器实例(4),结束,
