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1、微系统工作原理 微传感器与微驱动器原理（一）,前章延伸：MEMS市场前景诱人、设计制造涉及到多学科的科学与工程原理的应用了解这些器件的工作原理对新MEMS器件设计是重要的本章给出的只是器件原理的基本信息注意：所选器件只是由于其设计上巧妙的想法，市场上未必是成功的,概念（从能量的角度）：是将能量从一种形式转换成另外一种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种可用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成便于测量的输出信号的器件，一般由敏感元件和转换元件组成。微传感器（Micro-sensor）是微机械的重头产品，在已开发的微机械产品中，微传感器占到90%。微传感器的体积小、
2、功耗低响应快，便于和信号处理部分集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物化学、环境监测等广阔领域。微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学和离子加工等。它们使得传感器结构得以微型化，从而能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。,微型机械量传感器1 传感原理电阻(包括压阻)传感、压电传感、电容传感和隧道传感；2 微型传感器加速度传感器、压力传感器；3 特种微型位移和力传感器压阻SFM传感器、压电SFM传感器、电容式SFM传感器。微型光学传感器微型红外和热传感器,Micro-System,微
3、型机械量传感器的发展历史 半导体材料，特别是Ge和Si，作为机械量-电学量转换器利用起源于1957年。在此以前发表了Ge和Si的压阻系数比其它材料高的结果。用两块Si薄片制成了声音传感器，等人几乎在同时发表了更实用化的同种器件。二者是压阻传感的开始。这之后，随着半导体材料加工技术的快速发展，材料变得更容易获得。1960年左右丰田理研开发出了十分实用的半导体应变传感器，同时,等人制作了细长的Si传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计使用。1961和1962年的Instrument Society of America大会上半导体应变传感器相关的报告很多。在此基础上，MicroSystem、Baidw
4、in-Lima-Hamiton、和Kulite-Bytrex公司都先后推出了半导体应变计商品。另外一些工业化生产的微传感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（Hall Effect）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。可以用微系统技术开发的微型传感器种类很多，本课程无法全部介绍。所以我们只能从基本的传感原理讨论入手，然后从一些典型微传感器结构来看这些原理是如何应用的。,下表列出的是一些微系统机械量传感器中常用的传感原理。考虑的重点是是否需要电路集成、是否可以响应直流信号、温度系数、长程漂移、系统复杂性等。,第一 电阻和压阻应变传感 应变传感器(Strain Sensor)是许多微型器件上
5、的一个集成部件，用于测量应变，或者直接测量结构的位移。应变传感器是特定的导体或者半导体，它被粘结或者直接加工在被侧表面上。传感器电阻随其尺寸按比例变化，这部分是由于尺寸变化(Streching)，也部分由于1856年Lord Kelvin发现压阻效应(Piezoresistive)。传感器的灵敏度因设计不同有很大差别。种类繁多的传感器可以在很大范围内实现线性度很好的测量，满足广泛的应用要求。一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子(Gauge Factor)表示,(这里用的是径向应变)，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对GF影响的表达式。,首先对电阻量表达式求微分,(in)。其中电阻率，in c
6、m；L是长度in cm；A是截面积，in cm2。求偏微分得到:,必须指出，这里把导体简化成了圆截面的线。用泊松比可以给出横向尺寸的相对变化。,上式除以R得,截面积A与其横向尺度D的2次方成正比，所以有,代入泊松比得到,因此电阻的偏微分表达式写成,式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应(传感器材料电阻率的变化)。由此，传感器计量因子可以写成,事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。正如下表所示，不同类型的应变传感器的计量因子差别极大，主要看其是否有大的压阻效应。,Table comparing the gauge factors of differential types of str
7、ain gauge,金属应变传感原理 对于金属而言，电阻率随应变的变化不大(只要其截面尺寸远大于晶粒尺寸)，而其值之间,它对GF是二倍的影响。然而，实际上宏观的金属应变传感器GF值大于尺寸效应，所以应该有一些压阻效应在其作用。金属应变传感器可以有细线或者金属薄膜组成，后者便于直接加工在微结构的表面,金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复杂的形状。他们通常被制在柔软的塑料衬底上，然后粘到被测表面。,半导体应变传感原理 在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的GF值。P-type硅的GF值高达200，而n-type硅的GF是负值，可以低至-140。传感器可以用注入或扩散法制在块体硅的局部
8、表面，有时整块硅也可以作为传感器。遗憾的是半导体应变传感器也有更高的阻抗温度系数，所以温度补偿很重要。（比如，可以利用惠斯敦电桥，使用一个不施应变的参考传感器进行补偿)。简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响(该影响与晶向有关)。在P-type材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在n-type材料中，电子的有效迁移率增加所以电阻减小。检测到的迁移率变化源于应变造成的能带结构崎变，如果需要的话可以精确计算。单晶硅压阻的强温度依存性使得其有时应用不易，而多晶和非晶硅则可作为新的选择。(他们不是各项异性)。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的方面。在晶粒内电阻变化与单晶硅
9、同，即温度升高则载流子迁移率低电阻率升高，而在晶界电荷井(charge trapping)会发展耗尽区(depletion region)，此处温度增加会有利于载流子越过耗尽区，所以电阻率降低。通过平衡这些影响，(比如改变注入剂量)，温度系数可以减至0。,第二 压电传感原理 在某些材料中机械应力会导致产生电荷偏压，称为压电材料。这种物理现象显然可以被用来测量机械应变(或者直接测量位移)。压电单晶压电高分子压电陶瓷,第三 电容传感原理 也许最重要、古老和精密的测量方法是电容式。电容位移传感器的结构异常简单(一个或多个固定极板、加上一个或多个移动极板)。其简单性和低的温度系数弥补了它线性度较差的缺
10、点。平行板电容器的基本公式,其中变量分别为电容(F)、真空介电常数(8.854x10-14F/cm)、相对介电常数、极板重叠面积(cm2)和极板间距(cm)。当有多层介质时,返回,-电容传感器结构相对简单和宜于加工。可以通过改变d、或A来实现非线性(比如用d)和线性(比如用A)的位置-电容转换。-电容传感器的最大优点是其温度系数低(只要极间材料是温度系数低的介电质，比如空气或者真空)。根据文献，空气介电常数的温度常数在1atm20时约为2ppm/(干燥),到7ppm/(最潮湿)。但是空气介电常数对于气压很敏感，约为100ppm/atm。如果极板间是压力恒定的空气(或真空)，起支配作用的影响是结
11、构热变形不平衡(通常也很小)。-另外一个优点是测量是非接触的。,隧道传感原理隧道测量分辨率极高，因为隧道电流随着针尖样品间距作指数规律变化，,这里，I0-常数，于材料、针尖形状有关;-转换因子，典型值10.25eV-0.5/nm;-隧道势垒高度(eV)，典型值0。5eV;z-针尖-样品间距(nm),典型值1nm。由于函数关系的极端非线性，其对位移的高灵敏度通常被用在闭环反馈控制系统中。比如STM。,-市场上出现的主要是压阻式传感器，主要原因是压阻式传感器对外力敏感，并且输出阻抗很低，它的模拟输出在很大范围内是线性的。-电容式传感器对压力的灵敏度比压阻式要高得多（约两个数量级），受温度的影响很小
12、，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发展潜力。-小型硅基电容传感器的主要缺点是感应电容小，输出阻抗高和非线性严重。微小电容对来自外界的影响极其敏感，因此对于硅基电容式传感器，为保证信号的顺利形成和放大有必要采用集成电路。,返回,加速度传感器:加速度传感器在很多领域有应用，比如安全气囊、导航、机器状态监控等。甚至包括炮弹定位等。微型加速度计很快获得广泛应用是由于成本下降和性能提高。下表是不同应用场合的加速度参数，其中g在纬度45海拔0m的地球引力加速度9.80665m/s2。,传感原理的应用-几种典型传感器,基本加速度计概念,有3个线加速度和3个角加速度，共6个加速度量。一般角加速度是用
13、相对与转轴一定位置的线加速度来测量的，所以讨论的重点是线加速度计的设计。通常加速度计包含一个质量块(proof mass，or Seismic mass)，然后测量质量块在加速度作用下的位移、质量块作用在框架上的力或者维持质量块位置所需要的力(即主动加速度计，需要一个闭环控制系统)。测量作用在质量块上的力(F=ma)或引起的位移有多种方法，包括应变计、电容、表面波器件、光学方法(干涉计)和隧道方法等。,实际上一个典型的基本型加速度计包含质量块、弹性件、阻尼元件和限位件。F=ma=kxrel这里k是弹性常数、xrel是相对于框体的位移。为了获得需要的频率响应、串联了一个阻尼器，阻尼力与速度成正比
14、。其力、谐振频率和振动质量因子的表达式为,应变计型加速度计 图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是1979年发表(Roylance和Angell)的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是2x3x0.6mm.,基本的加工工艺是这样的首先在Si上加工对准用的孔，然后生长和加工1.5um厚的氧化膜。然后扩散10欧区域用于欧姆接触和100欧的压阻区。最后利用阳极健和Si和7740玻璃。,它可以分辨0.001g的加速度，满量程200g，灵敏度50uV/g.Vsupply，压阻的温度系数-0.2-0.3%/C,谐振频率2.33kHz。这是一个很好的微器件例子。现在有更复杂的微加速度计，比如Taka
15、o等人发表的3维加速度计(Transducers95，pp683-686),电容式加速度计 已经有一些用电容法测量位移的加速度传感器。理论上说，可以在应变式加速度计的基础上，用质量块位动极板与框架极板形成电容。但是实际设计有很大不同。不仅因为以上设计中大的极板间隙导致非线性，同时他们也要求严格控制器件间距。这种开环的被动式电容加速度计的一个好例子是Cole1991年发表的电铸的、扭转的差动电容加速度计。(这种传感器Silicon Designs公司有售),该设计使用了电铸的、不对称的扭转电容极板，它在加速度作用下发生转动，使下面的二个基板电极测到的电容的比率变化。传感件尺寸1x0.6mmx5u
16、m，净电容约150fF。灵敏度由TorsionBar的长度和宽度确定(对于25g器件，8um宽100um长5um厚)。这里单点支撑减小了热胀的影响。该器件的商品中还包括一个集成电路块，使输出信号与加速度成比例。整个封装成20脚的模块。其它各有特点的设计参看阅读材料。,压电式加速度计宏观的压电加速度传感器相当普通，尽管他们通常由于电荷泄失和热电效应而不能用于DC响应。微系统技术用来补偿这些因素并几乎实现DC响应的是Chen等人1982年发表的结果。ZnO薄膜压电元件被耦合到MOSFET门，从而几乎克服了电荷泄失(由于直接耦合)。无应变的ZnO电容器串联到应变ZnO上几乎消除了热电效应的影响。,微
17、加工工艺包括PMOS工艺，ZnO和SiO2使用磁控溅射方法获得的和湿法刻蚀的。利用保留的未刻Si作为质量块，报导的灵敏度为1.5mV/g,和一个频率响应在3Hz到3KHz。,隧道电流式加速度传感器如前所述，隧道电流的位移检测灵敏度可达到亚纳米极，但是实际上这种方式需要用闭环控制，所以隧道式加速度传感器也是闭环式。以下是一种带静电反馈的器件。(Rockstad等人，1993年)。实际上由于不做表面显微所以针尖并不要求很尖。,压力传感器 压力传感器是另一类比较成熟的和商品化的微系统器件。真空系统包括热导、Pirani和电离式压力计（真空计)，这里只学习机械式压力计。压力传感器应用十分广泛。包括汽车
18、里许多的气压、轮胎压、水压、油压，环境控制，航空系统，医疗保健等领域。微加工的压力传感器以其高性能、小尺寸和低成本而涉如市场。但是，正像其它微系统那样，器件加工成本之外还有，检测和实装的成本也很高。,绝大部分微型压力传感器是所谓“空盒压力计”(aneroid)形式，即将被测压力施与一个薄膜表面，然后测量其变形(已知压差-变形转换函数)。结构解析可以给出最初的结构设计依据(但是需要以实验修正)。测量薄膜位移可以用各种可能的方法，包括应变计、电容、压电(不能测DC)、光学和隧道等。通常商品压力计用应变计或电容传感原理。,如上图所示，压力计可以设计称各种类型，只要测出腔体内外压差即可。但是，腔体做成
19、真空是比较理想的，因为这样内压不受温度变化的影响。根据Van Mullem等人的论文，一个圆周固支的薄膜中心位移与压差之间的关系有如下的函数关系,这里P-所施加的压力，Pa;r-薄膜直径;E-杨氏模量，Pa;h-薄膜厚度，m;-泊松比;y-膜中心点位移。,压阻式压力传感器 典型的压阻式压力传感器使用电化学或杂化选择刻蚀得到的Si薄膜构成，绝大部分成功的器件都是这种形式。压阻元件位于薄膜的边缘，在其线性范围内给出与变形(也即压力)成比例的输出。(实际上测的是应变量)。实际上用了4个压阻件组成电桥，以放大输出信号。在这种情况下如不做温度补偿，55温度范围会导致1%的输出变化。对于汽车等环境，温度系
20、数会是问题。所以一定要温度补偿。,压阻式压力传感器的输出电路:左边为无温度补偿的电桥；右边为带温度补偿的电桥。,表面加工技术得到的压阻式压力传感器。其好处是单种材料所以没有热胀系数差的影响。,电容式压力传感器 撇开其非线性，电容式应变计可以用来做压力传感器(因为电容与间距成反比)。正像其它应用那样，其接近0的温度系数式很有吸引力的。由于电容式压力传感器不是平面极板，所以从,对于非平面，需要求积分,此处d0式开始间隙。有限元分析等数值方法也经常被用到。,下面是一个例子，用微加工技术做的可植入人体的血压传感器，有Michgan大学1980年发表。薄膜尺寸为290 x550 x1.5um，间隙2um
21、。其分辨率为0.41fF/mmHg.,返回,特种微小位移和力传感器-SFM微探针,最初的用微加工方法制作的SiO2和Si3N4悬臂粱。,带有金字塔针尖的Si3N4微悬臂粱,压阻式SFM力传感器。参数为:k=16N/m,R/R=0.9ppm per A,MDD=0.2A,压阻式SFM探针阵列,返回,最早的压电SFM探针。用压电高分子材料组成的压电双层结构。(1992，Univ Utah,J Tansock and C Williams),用氧化锌为压电材料的SFM探针。1996,须贺等,利用压电陶瓷薄膜的SFM探针。Chu等1998。,返回,电容式的SFM表面力传感器。1996，De Rooji等,电容式的SFM表面力传感器。1996，De Rooji等,光学传感器 能把光能转换成电信号输出的传感器,基于量子效应,即材料吸收外界的光子后产生新的电子空穴对的能力,从而改变多数载流子的浓度.光电压结式的传感器光电导式传感器光电二极管式传感器光电三极管式传感器,作业 第一部分 多项选择 1-10 第二部分 简答1、2、3、7,
