2023年新型传感器技术.docx

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1、2023年新型传感器技术 前 言 传感器工作原理的分类： 物理传感器应用的是物理效应 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象 以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类： (1)按照其所用材料的类别分 金属 聚合物 陶瓷 混合物 (2)按材料的物理性质分 导体 绝缘体 半导体 磁性材料 (3)按材料的晶体结构分 单晶 多晶 非晶材料 按照

2、其制造工艺，可以将传感器区分为： 集成传感器薄膜传感器厚膜传感器陶瓷传感器 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 第1章 传感器敏感材料 1半导体硅材料 1.1 单晶硅：固态传感器的材料， 优点： 优良的机械、物理性质，材质纯，内耗低、功耗小。 机械品质因数高达106数量级， 滞后

3、和蠕变极小，机械稳定性好。 各向异性，具有很好的热导性，应变灵敏系数高。 1.2 多晶硅：是许多单晶的聚合物。晶粒的排列是无序的，不同的晶粒有不同的单晶取向，而每一晶粒内部具有单晶的特征。 晶粒与晶粒之间的部位称为晶界，其对压阻效应的影响可通过控制掺杂浓度来降低。晶粒越大，压阻效应越大。 1.3 非晶体硅：在光电器件、传感器中应用。 与晶体材料相比，非晶体硅具有： （1）在可见光范围内具有高的光吸收系数。 （2）淀积温度低（200-300C），可用多种材料作衬底，感受大面积淀积。 （3）材料性能稳定，具有较高的机械强度。 （4）具有高的塞贝克系数 （5）纯非晶硅没有压阻效应，利用微晶相与非晶相

4、混合可产生压阻效应，灵敏系数高。 （6）非晶硅的弹性模量和多晶硅一样，取决于制备和热处理，一般为（150170）103MPa。 可制成多种传感器，如光传感器，成象传感器，高灵敏度温度传感器，微波功率传感器，触觉传感器等。 1.4 硅蓝宝石：是在蓝宝石衬底上应用外延生长技术形成的硅薄膜。 衬底是绝缘体，可实现元件之间的分离，且寄生电容小。 蠕变极小，优于单晶硅；耐辐射能力强；化学稳定性好，耐腐蚀性强。 具有耐环境性强的优势。 2化合物半导体材料 先进的成象传感器材料。如碲镉汞、锑化铟、砷化镓等。 开发长波段的应用。 无源探测的红外光敏技术，广泛应用。如红外夜视、火控、跟踪定位、精确制导 3石英敏

5、感材料 3.1石英晶体 晶态sio2 特点：各向异性，具有压电特性；绝缘体；和单晶硅一样，具有优良的机械物理性质。 工作温度为 3.2 石英玻璃：非晶态SIO2，物理特性与方向无关。 机械物理性能和化学性能极优。 在 以前，弹性模量随温度的增高而增大，以后随温度的升高而下降。 最高使用温度为1100 。 适宜制造高精度传感器 4精密陶瓷材料 以化学合成的物质为原料，控制其中的组分比，经过精密的成型烧结，可制成适合传感器需要的多种精密陶瓷材料-功能陶瓷材料。 特点：耐热性，耐腐蚀性，多孔性，光电性，压电性等独特的性能。 新开发陶瓷温度、气体、温度、光电、离子、加速度、陀螺等传感器 5 ZnO薄膜

6、 作为压电体、光导体、光波导和半导体的多用途材料； 六角晶结构，各向异性体，有大的压电常数，大的声光、电光和非线性光学系数。 淀积ZnO膜技术最广泛的方法是磁控溅射方法，可获得压电性能、光学性能优良，表面平坦而透明的致密薄膜层。 6 铁电聚合物 是指含有铁电晶体组织的特殊高分子聚合物，如聚氯乙烯、聚偏二佛乙烯（PVF2)。 PVF2优良，具有压电、热释电特性。 应用在电-声和机-电传感器，如声频、超声波等。 7 非晶态磁性合金 结构为长程无序，短程有序； 在旋转磁场中的各个方向的相对磁导率较高； 电阻率高，在交变磁场作用下，涡流损耗小，响应快，高频特性好； 磁致伸缩效应大； 机械强度高，高达2

7、000-3500MPa。 根据传感器的具体特性要求确定这类材料的组分和形状。 8形状记忆合金 新的传感器材料，具有热弹性和超弹性； 过程：把某种记忆合金在高温下定形后，若冷却到低温产生形变，只要温度稍微升高就可以使形变迅速消失，并回到高温下所具有的形状。 代表性材料有：NiTi ,CuZnAl,CuAlNi。 9 复合材料 原子合成法通过控制材料的特性可以合成理想传感器材料; 晶体合成法:多层结构,材料的混合在原子级上进行控制,合成的材料也叫人造晶格或超晶格; 超晶格结构具有全新的材料特性; 超晶格结构可随意控制物理常数,具有很大的发展前景。 硅材料的质量轻,密度为不锈钢的1/3,而弯曲强度为

8、不锈钢得3.5倍,具有高强度比和高密度比; 热导性为不锈钢7倍,而热膨胀系数不到不锈钢的1/7; 第2章 微机械加工技术 分为三类：硅微机械加工技术、超精密机械加工技术和X射线深层光刻电铸成型（LIGA)技术。 2.1硅微机械加工技术 硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的扩展技术。主要用于制造以硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维微结构，包括膜片、悬臂梁、探针等微结构与特殊薄膜和高性能的电路相结合，成功制造出固态传感器 1.刻蚀技术 （）体型结构腐蚀加工 腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，分为化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两种。 （2）表面腐蚀加工-牺牲层技术 利用硅表面微机械加工

9、技术，开发、研制出尺寸小的悬式结构 工艺过程: 通过淀积法（溅射、蒸发） 在Si基片表面上生成SiO2牺牲层(微米级) 根据要求的形状刻蚀一部分SiO2 再剩下的SiO2层上通过淀积生成Si层 用刻蚀法刻蚀淀积的Si层 溶解SiO2牺牲层,获得与Si基片略连接或完全分离的悬臂式结构 2.薄膜技术 多晶硅膜、二氧化硅膜、金属膜等作为微型传感器结构的复合材料。 制作方法：物理气相淀积和化学气相淀积。 物理气相淀积是利用蒸镀和溅射。 化学气相淀积是让气体与衬底材料在加热的表面进行化学反应，使另一种物质在表面上形成膜。 (1)真空蒸镀：用蒸发铝和金的方法来获得电极的欧姆接触区，可直接制造敏感元件的薄膜

10、。 (2)溅射成膜工艺,最流行工艺,设备较复杂,成膜速度慢,但形成的膜牢固,制出高熔点的金属膜和化合物膜,且化学成分不变。溅射方式有射频溅射、直流溅射和反应溅射等，射频溅射应用广泛。 (3)化学气相淀积(CVD)：是使含有待淀积物质的化合物升华成气体，与另一种气体化合物在一个反应室中进行反应，生成固态的淀积物质，使之淀积在基底上而生成薄膜。 (4)等离子化学气相淀积(PECVD):在温度 利用等离子体的活性。 过程：在反应过程中，为了产生等离子体，可加上直流或射频高电压，反应室通入一定量气体，使之发光放电，反应室内的气体将被电离而等离子化。 3.固相键合工艺 把两个固态部件直接键合在一起的加工

11、工艺，也就是把微机械部件装配在一起的一种技术。 典型例子就是硅玻璃或金属玻璃间的静电键合。 过程：把表面抛光的硅和热膨胀系数相近的玻璃紧密接触，在高温下，接上硅为正、玻璃为负的直流电压（伏）；在静电力作用下，使硅与玻璃在界面处接近到分子级的距离而形成牢固的、永久性的分子键合 2.2 传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时，用到超精密机械加工技术，如激光精密加工等。 2.3X射线深层光刻电铸成型技术 是深层同步辐射X射线光刻与电铸工艺相结合的制造技术。与牺牲层技术结合可制造出微型悬式结构。 工艺过程如下： 在硅基片上溅射牺牲层 用紫外光通过掩膜照射牺牲层，制作平面图形 在牺牲层上涂一

12、层钛、镍组成的薄膜作为电铸的金属基底 在金属基底上淀积光致抗蚀剂层，覆盖掩膜 利用深层同步辐射X射线光刻技术对光致抗蚀剂层进行曝光 用化学蚀刻法蚀刻光致抗蚀剂层，制成电铸用的初级模板 在金属基底上，以初级模板为模型进行电铸，形成了与模板形状互为凹凸的三维结构 用化学溶剂溶解掉初级模板、金属基底和牺牲层，获得悬式结构 第3章 传感器的建模 3.1原因和过程 建立传感器的模型,在原理分析、结构设计、样机研制中有重要作用。 建模过程：（1）根据本质特征建立传感器的物理模型；（2）建立传感器的数学模型；（3）求解数学模型。 建模的方法：主要有能量法、概率法、状态法等 3.2受轴向力两端固支梁 建模步骤

13、：）几何方程； ）物理方程； ）弹性势能、弹性方程（对体积）； ）动能； ）梁上的任一点横截面处的初始应力； ）由初始应力引起的初始弹性势能； ）建立总的弹性势能； ）建立泛函； ）利用泛函原理； ）求解微分方程。 3.3改进悬臂梁 改进型悬臂梁的特征是： 在载荷F的作用下，梁的根部区域和端部区域的应力状态是相反的； 梁的根部受力情况优于典型悬臂梁，测力范围增大； 梁上布置测力元件优于典型悬臂梁。 第4章 硅电容式集成传感器 灵敏度高，稳定性好，量程宽 平行板式 C=0A/d 通过改变极板间距d ,极板相对面积A（或长度L）和介电常数，可以使电容器的电容发生变化。 基于阻抗测量技术的电容信号检

14、测，其测量线路有： （）交流电桥式； （）充放电式； （）调频式； （）谐振式。 硅电容式集成压力传感器的接口电路 1.开关-电容接口电路：由差动积分器和循环运行的A/D变换器组成。 电路的工作过程：复位、检测、换算和转换。 2.电容频率变换电路 采用电容频率变换电路，可将电容输出的电压变换为频率 信号输出。可直接接入计算机。 第5章 谐振式传感器 由ERD组成的电机电谐振子环节，是谐振式传感器的核心。适当地选择激励和拾振手段，构成一个理想的ERD，对设计谐振式传感器至关重要。 由ERDA组成的闭环自激环节，是构成谐振式传感器的条件。 由RDO(C)组成的信号检测、输出环节，是实现检测被测量的

15、手段。 每周平均储存的能量Q=每周由阻尼损耗的能量值反映了谐振子振动中阻尼比的大小及消耗能量快慢的程度。同时也反映了幅频特性曲线谐振峰的陡峭的程度，即谐振敏感元件选频能力的强弱。 双激单拾 单激双拾 稳定的自激振荡： 1、幅度平衡条件|AF|=1 2、相位平衡条件A+F=(2n+1)（n=0,1,2,3） 采用电磁方式作为激励、拾振手段最突出的优点是与壳体无接触，但也有一些不足。如电磁转换效率低，激励信号中需引入较大的直流分量，磁性材料的长期稳定性差，易于产生电磁耦合等。 第6章 声表面波传感器 特点：高精度；与微处理器连接，简单；可批量生产等。 纵波是质点的振动方向与传播方向同轴的波 横波

16、质点的振动方向与波的传播方向垂直 声表面波的衰减 波束偏离和衍射效应引起的 原因： 材料固有的衰减； 材料表面粗糙引起散射； 向外辐射声波 叉指换能器 功能是激励瑞利表面波 （）基本特性： 基本结构：叉指电极、叉指周期、换能器孔径。 物理过程：压电效应和逆压电效应。 基本性能：频率高、对称性、带宽取决于指对数、互易性、内加权、制造简单，重复性、一致性好。 第7章 薄膜传感器 薄膜与传感器特性的关系: 1)选择性; 2)可靠性; 3)响应时间; 4)分辨率; 5)其它特性 厚膜与薄膜：区别不在于膜的厚度，而是制备工艺的不同。 薄膜（真空蒸镀，溅射，气相淀积） 第8章 气体传感器 主要参数与特性

17、响应时间 选择性 稳定性 温度特性 湿度特性 电源电压特性 应变效应：导体或半导体电阻随其机械变形而变化的物理现象。 光纤数值孔径：入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA = sin） SAW模式转换：针对瑞利波，其质点作椭圆振动，有横振动又有纵振动，遇到阻抗不连续时，入射波一部分以瑞利波形式反射回来，还有一部分能量在反射时转换为体波 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压

18、电效应。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。 单模光纤芯径小（10m m左右），仅允许一个模式传输，色散小，工作在长波长（1310nm和1550nm），与光器件的耦合相对困难 多模光纤芯径大（62.5m m或50m m），允许上百个模式传输，色散大，工作在850nm或1310nm。与光器件的耦合相对容易 压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象 速度劲化：压电晶体，由于压电效应，在声波传播过程中，将有一个电势随同传播，且使声波速度变快。 与频率无关-非色散波 金属赛贝克效应：在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。 波束偏离各向异性固体，波的相速度与群速度不一致；或相位传播方向与能量传播方向不一致 新型传感器技术 新型光纤传感器 传感器 传感器 传感器 传感器与检测技术 传感器与测试技术 传感器测量技术总结 传感器试题 传感器复习