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1、 微系统工作原理微系统工作原理 微传感器微传感器与微驱动器原理（一）与微驱动器原理（一）n n前章延伸：前章延伸：MEMSMEMS市场前景诱人、设计制造涉市场前景诱人、设计制造涉及到多学科的科学与工程原理的应用及到多学科的科学与工程原理的应用n n了解这些器件的工作原理对新了解这些器件的工作原理对新MEMSMEMS器件设计器件设计是重要的是重要的n n本章给出的只是器件原理的基本信息本章给出的只是器件原理的基本信息n n注意：所选器件只是由于其设计上巧妙的想注意：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法，市场上未必是成功的n n概念概念概念概念（从能量的角度）（从能量的角度）（
2、从能量的角度）（从能量的角度）：是将能量从一种形式转换成另外一：是将能量从一种形式转换成另外一：是将能量从一种形式转换成另外一：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种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种可种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种可种形式，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用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测量并用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测量并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，一按照一定规律转换成便于测量的
3、输出信号的器件，一按照一定规律转换成便于测量的输出信号的器件，一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。般由敏感元件和转换元件组成。般由敏感元件和转换元件组成。般由敏感元件和转换元件组成。n n 微传感器（微传感器（微传感器（微传感器（Micro-sensorMicro-sensorMicro-sensorMicro-sensor）是微机械的重头产品，）是微机械的重头产品，）是微机械的重头产品，）是微机械的重头产品，在已开发的微机械产品中，微传感器占到在已开发的微机械产品中，微传感器占到在已开发的微机械产品中，微传感器占到在已开发的微机械产品中，微传感器占到9
4、0%90%90%90%。微传。微传。微传。微传感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部分感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部分感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部分感器的体积小、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集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可以应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、生物用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电器、生物化
5、学、环境监测等广阔领域。化学、环境监测等广阔领域。化学、环境监测等广阔领域。化学、环境监测等广阔领域。n n 微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展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、化学和应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学和应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学和应用的结果。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，从而离子加工等。它们使得传感器结构得以微型化，从而离子加工等。它们使得传感器结构得以微型
6、化，从而离子加工等。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。能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批量生产。一一微型机械量传感器微型机械量传感器二二1 传感原理传感原理传感原理传感原理 电阻电阻电阻电阻(包括压阻包括压阻包括压阻包括压阻)传感传感传感传感、压电传感压电传感压电传感压电传感、电容传感电容传感电容传感电容传感和和和和隧道传感；隧道传感；隧道传感；隧道传感；三三2 2 微型传感器微型传感器微型传感器微型传感器 加速度传感器加速度传感器加速度传感器加
7、速度传感器、压力传感器；压力传感器；压力传感器；压力传感器；四四3 3 特种微型位移和力传感器特种微型位移和力传感器特种微型位移和力传感器特种微型位移和力传感器 压阻压阻压阻压阻SFMSFM传感器、传感器、传感器、传感器、压电压电压电压电SFMSFM传感器、电容式传感器、电容式传感器、电容式传感器、电容式SFMSFM传感器。传感器。传感器。传感器。二二微型光学传感器微型光学传感器三三微型红外和热传感器微型红外和热传感器Micro-System微型机械量传感器的发展历史微型机械量传感器的发展历史微型机械量传感器的发展历史微型机械量传感器的发展历史 半导体材料，特别是半导体材料，特别是半导体材料，
8、特别是半导体材料，特别是GeGeGeGe和和和和SiSiSiSi，作为机械量，作为机械量，作为机械量，作为机械量-电学量转换器利用起源于电学量转换器利用起源于电学量转换器利用起源于电学量转换器利用起源于1957195719571957年。在此以前发表了年。在此以前发表了年。在此以前发表了年。在此以前发表了GeGeGeGe和和和和SiSiSiSi的压阻系数比其它材料高的结果。用两块的压阻系数比其它材料高的结果。用两块的压阻系数比其它材料高的结果。用两块的压阻系数比其它材料高的结果。用两块SiSiSiSi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。薄片制成了声音传感器，等人几乎在
9、同时发表了更实用化的同种器件。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。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。二者是压阻传感的开始。二者是压阻传感的开始。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。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。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。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。1960196019601960年左右丰田理研开发出了十分实用的半导体应变传感器，同时年左右丰田理研开发出了十
10、分实用的半导体应变传感器，同时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,等人等人等人等人制作了细长的制作了细长的制作了细长的制作了细长的SiSiSiSi传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计使用。传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计使用。传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计使用。传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计使用。1961196119611961和和和和1962196219621962年的年的年的年的Instrument Society of AmericaInstrument Society of AmericaInstrume
11、nt Society of AmericaInstrument Society of America大会上半导体应变传感器相关的报告大会上半导体应变传感器相关的报告大会上半导体应变传感器相关的报告大会上半导体应变传感器相关的报告很多。在此基础上，很多。在此基础上，很多。在此基础上，很多。在此基础上，MicroSystemMicroSystemMicroSystemMicroSystem、Baidwin-Lima-HamitonBaidwin-Lima-HamitonBaidwin-Lima-HamitonBaidwin-Lima-Hamiton、和、和、和、和Kulite-Kulite-Kul
12、ite-Kulite-BytrexBytrexBytrexBytrex公司都先后推出了半导体应变计商品。公司都先后推出了半导体应变计商品。公司都先后推出了半导体应变计商品。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另外一些工业化生产的微传另外一些工业化生产的微传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（感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（Hall EffectHall Effect）探头、加速度计、）探头、加速度计、）探头、加速度计、）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。力
13、传感器以及化学传感器等等。力传感器以及化学传感器等等。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。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。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。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
14、如何应用的。来看这些原理是如何应用的。来看这些原理是如何应用的。来看这些原理是如何应用的。下下下下表表表表列列列列出出出出的的的的是是是是一一一一些些些些微微微微系系系系统统统统机机机机械械械械量量量量传传传传感感感感器器器器中中中中常常常常用用用用的的的的传传传传感感感感原原原原理理理理。考考考考虑虑虑虑的的的的重重重重点点点点是是是是 是是是是否否否否需需需需要要要要电电电电路路路路集集集集成成成成、是是是是否否否否可可可可以以以以响响响响应应应应直直直直流流流流信信信信号号号号、温温温温度度度度系系系系数数数数、长长长长程程程程漂移、系统复杂性等。漂移、系统复杂性等。漂移、系统复杂性等。
15、漂移、系统复杂性等。第一第一第一第一 电阻和压阻应变传感电阻和压阻应变传感电阻和压阻应变传感电阻和压阻应变传感 应应应应变变变变传传传传感感感感器器器器(Strain(Strain(Strain(Strain Sensor)Sensor)Sensor)Sensor)是是是是许许许许多多多多微微微微型型型型器器器器件件件件上上上上的的的的一一一一个个个个集集集集成成成成部部部部件件件件，用用用用于于于于测测测测量量量量应应应应变变变变，或或或或者者者者直直直直接接接接测测测测量量量量结结结结构构构构的的的的位位位位移移移移。应应应应变变变变传传传传感感感感器器器器是是是是特特特特定定定定的的的的
16、导导导导体体体体或或或或者者者者半半半半导导导导体体体体，它它它它被被被被粘粘粘粘结结结结或或或或者者者者直直直直接接接接加加加加工工工工在在在在被被被被侧侧侧侧表表表表面面面面上上上上。传传传传感感感感器器器器电电电电阻阻阻阻随随随随其其其其尺尺尺尺寸寸寸寸按按按按比比比比例例例例变变变变化化化化，这这这这部部部部分分分分是是是是由由由由于于于于尺尺尺尺寸寸寸寸变变变变化化化化(Streching)(Streching)(Streching)(Streching)，也也也也部部部部分分分分由由由由于于于于1856185618561856年年年年Lord Lord Lord Lord Kelv
17、inKelvinKelvinKelvin发发发发现现现现压压压压阻阻阻阻效效效效应应应应(Piezoresistive)(Piezoresistive)(Piezoresistive)(Piezoresistive)。传传传传感感感感器器器器的的的的灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度因因因因设设设设计计计计不不不不同同同同有有有有很很很很大大大大差差差差别别别别。种种种种类类类类繁繁繁繁多多多多的的的的传传传传感感感感器器器器可可可可以以以以在在在在很很很很大大大大范范范范围围围围内内内内实实实实现现现现线线线线性性性性度度度度很很很很好好好好的测量，满足广泛的应用要求。的测量，满足广泛的应用要求。的测
18、量，满足广泛的应用要求。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一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子(Gauge Factor)(Gauge Factor)(Gauge Factor)(Gauge Factor)表示表示表示表示(这里这里这里这里 用的是径向应变用的是径向应变用的是径向应变用的是径向应变)，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对GFGFGFGF影响的表达式。影响的表达式。影
19、响的表达式。影响的表达式。首先对电阻量表达式求微分首先对电阻量表达式求微分首先对电阻量表达式求微分首先对电阻量表达式求微分(in(in)。其中。其中。其中。其中 电阻率，电阻率，电阻率，电阻率，in in cm cm；L L是长度是长度是长度是长度in cmin cm；A A是截面积，是截面积，是截面积，是截面积，in in cmcm2 2。求偏微分得到。求偏微分得到。求偏微分得到。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必须指出，这里把导体简化成
20、了圆截面的线。用泊松比可以给出横向尺寸的相对变化。向尺寸的相对变化。向尺寸的相对变化。向尺寸的相对变化。上式除以上式除以上式除以上式除以R R得得得得截面积截面积截面积截面积A A与其横向尺度与其横向尺度与其横向尺度与其横向尺度D D的的的的2 2次方成正比，所以有次方成正比，所以有次方成正比，所以有次方成正比，所以有代入泊松比得到代入泊松比得到代入泊松比得到代入泊松比得到因此电阻的偏微分表达式写成因此电阻的偏微分表达式写成因此电阻的偏微分表达式写成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式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应式中第一项代表尺寸变化的
21、影响，第二项代表压阻效应式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应(传感器材传感器材传感器材传感器材料电阻率的变化料电阻率的变化料电阻率的变化料电阻率的变化)。由此，传感器计量因子可以写成。由此，传感器计量因子可以写成。由此，传感器计量因子可以写成。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。事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。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，主要看其是否正如下表所示，不同类型的应变传
22、感器的计量因子差别极大，主要看其是否正如下表所示，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。有大的压阻效应。有大的压阻效应。有大的压阻效应。Type of Strain GaugeType of Strain GaugeGauge FactorGauge FactorMetal foilMetal foil1 1 to 5to 5Bar SemiconductorBar Semiconductor80 80 to 150to 150Diffusion SemiconductorDiffusion Semiconductor80 80 to 200to 200Table
23、 comparing the gauge factors of differential types of strain gauge金属应变传感原理金属应变传感原理金属应变传感原理金属应变传感原理 对于金属而言，电阻率对于金属而言，电阻率对于金属而言，电阻率对于金属而言，电阻率 随应变的变化不大随应变的变化不大随应变的变化不大随应变的变化不大(只要其截面尺寸远只要其截面尺寸远只要其截面尺寸远只要其截面尺寸远大于晶粒尺寸大于晶粒尺寸大于晶粒尺寸大于晶粒尺寸)，而其，而其，而其，而其 值之间值之间值之间值之间,它对它对它对它对GFGF是二倍的影响。然而，实际上是二倍的影响。然而，实际上是二倍的影响
24、。然而，实际上是二倍的影响。然而，实际上宏观的金属应变传感器宏观的金属应变传感器宏观的金属应变传感器宏观的金属应变传感器GFGF值大于尺寸效应，所以应该有一些压阻效值大于尺寸效应，所以应该有一些压阻效值大于尺寸效应，所以应该有一些压阻效值大于尺寸效应，所以应该有一些压阻效应在其作用。应在其作用。应在其作用。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加工在微结构的表面加工在微结构的表面加工在微结
25、构的表面,金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复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。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。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。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半导体应变传感原理半导体应变传感原理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，所以有很高的在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的在半导体应变传感器中
26、，压阻效应很大，所以有很高的在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的GFGF值。值。值。值。P-typeP-type硅的硅的硅的硅的GFGF值高达值高达值高达值高达200200，而，而，而，而n-typen-type硅的硅的硅的硅的GFGF是负值，可以低至是负值，可以低至是负值，可以低至是负值，可以低至-140-140。传感器可以。传感器可以。传感器可以。传感器可以用注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。用注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。用注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。用注入或扩散法制在块体硅的局部表
27、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补偿补偿补偿)。简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率
28、受应力影响简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响(该影响与晶向有该影响与晶向有该影响与晶向有该影响与晶向有关关关关)。在。在。在。在P-typeP-type材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在n-typen-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材料中，
29、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。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。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。温度依存性使得其有时应用不易，而多晶和
30、非晶硅则可作为新的选择。(他他他他们不是各项异性们不是各项异性们不是各项异性们不是各项异性)。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的。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同，即温度升高则载流子迁移率低电阻方面。在晶粒内电阻变化与单晶硅同，即温度升高则载流子迁移率低电阻方面。在晶粒内电阻变化与单晶硅同，即温度升高则载流子迁移率低电阻方面。在晶粒内电阻变化与单晶硅同，即温度升高则载流子迁移率低电阻率升高，而在晶界电荷井率升高，而在晶界电荷井率升高，
31、而在晶界电荷井率升高，而在晶界电荷井(charge trapping)(charge trapping)会发展耗尽区会发展耗尽区会发展耗尽区会发展耗尽区(depletion(depletion region)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，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，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，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，过平衡这些影响，过平衡这些影响，过平衡这些影响，(比如改变注入剂量比如改变注入剂量比如改变注入剂量比如改变注入剂量)，温度系数可以
32、减至，温度系数可以减至，温度系数可以减至，温度系数可以减至0 0。第二第二 压电传感原理压电传感原理 在某些材料中机械应力会导致产生电荷偏压，称为压在某些材料中机械应力会导致产生电荷偏压，称为压在某些材料中机械应力会导致产生电荷偏压，称为压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电材料。这种物理现象显然可以被用来测量机械应变电材料。这种物理现象显然可以被用来测量机械应变电材料。这种物理现象显然可以被用来测量机械应变(或或或或者直接测量位移者直接测量位移者直接测量位移者直接测量位移)。压电单晶压电单晶压电单晶压电单晶压电高分子压电高分子压电高分
33、子压电高分子压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷第三第三第三第三 电容传感原理电容传感原理电容传感原理电容传感原理 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器的结构异常简单器的结构异常简单器的结构异常简单(一个或多个固定极板、加上一个或多个移动极板一个或多个固定极板、加上一个或多个移动极板一个或多个固定极板、加上一个或多个移动极板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
34、度较差的缺点。平行板电。其简单性和低的温度系数弥补了它线性度较差的缺点。平行板电。其简单性和低的温度系数弥补了它线性度较差的缺点。平行板电。其简单性和低的温度系数弥补了它线性度较差的缺点。平行板电容器的基本公式容器的基本公式容器的基本公式容器的基本公式其中变量分别为电容其中变量分别为电容其中变量分别为电容其中变量分别为电容(F)(F)、真空介电常数、真空介电常数、真空介电常数、真空介电常数(8.854x10(8.854x10-14-14F/cm)F/cm)、相对介、相对介、相对介、相对介电常数、极板重叠面积电常数、极板重叠面积电常数、极板重叠面积电常数、极板重叠面积(cm(cm2 2)和极板间
35、距和极板间距和极板间距和极板间距(cm)(cm)。当有多层介质时。当有多层介质时。当有多层介质时。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。可以通过改变电容传感器结构相对简单和宜于加工。可以通过改变电容传感器结构相对简单和宜于加工。可以通过改变电容传感器结构相对简单和宜于加工。可以通过改变d d、或或或或A A来实现非线性来实现非线性来实现非线性来实现非线性(比如用比如用比如用比如用d)d)和线性和线性和线性和线性(比如用比如用比如用比如用A)A)的位置的位置的位置的位置-电容转换。电容转换。电容转换。电容转换。-电容传感器的最大优点是其温度系数低电容传感器的最大优点是其温度系数低
36、电容传感器的最大优点是其温度系数低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只要极间材料是温度只要极间材料是温度只要极间材料是温度系数低的介电质，比如空气或者真空系数低的介电质，比如空气或者真空系数低的介电质，比如空气或者真空系数低的介电质，比如空气或者真空)。根据文献，空气介电常数的。根据文献，空气介电常数的。根据文献，空气介电常数的。根据文献，空气介电常数的温度常数在温度常数在温度常数在温度常数在1atm201atm20时约为时约为时约为时约为2ppm/2ppm/(干燥干燥干燥干燥),),到到到到7ppm/7ppm/(最潮湿最潮湿最潮湿最潮湿)。但是空气介电常数对于气压很敏感，
37、约为但是空气介电常数对于气压很敏感，约为但是空气介电常数对于气压很敏感，约为但是空气介电常数对于气压很敏感，约为100ppm/atm100ppm/atm。如果极板间。如果极板间。如果极板间。如果极板间是压力恒定的空气是压力恒定的空气是压力恒定的空气是压力恒定的空气(或真空或真空或真空或真空)，起支配作用的影响是结构热变形不平，起支配作用的影响是结构热变形不平，起支配作用的影响是结构热变形不平，起支配作用的影响是结构热变形不平衡衡衡衡(通常也很小通常也很小通常也很小通常也很小)。-另外一个优点是测量是非接触的。另外一个优点是测量是非接触的。另外一个优点是测量是非接触的。另外一个优点是测量是非接触
38、的。隧道传感原理隧道传感原理隧道传感原理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，律变化，律变化，律变化，这里，这里，这里，这里，I I0 0-常数，于材料、针尖形状有关常数，于材料、针尖形状有关常数，于材料、针尖形状有关常数，于材料、针尖形状有关;-转换因子，典型值转换因子，典型值转换因子，典型值转换因子，典型值10.25eV 10.25eV-0.5-0.5/nm;/nm;-隧道势垒高度隧道势
39、垒高度隧道势垒高度隧道势垒高度(eV)(eV)，典型值，典型值，典型值，典型值0 0。5eV;5eV;z-z-针尖针尖针尖针尖-样品间距样品间距样品间距样品间距(nm),(nm),典型值典型值典型值典型值1nm1nm。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。比如反馈控制系统中。比如反馈控制系统中。比如反馈控制系统中。比如STMSTM。-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
40、对外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。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。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。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）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）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）电容式
41、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，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发，受温度的影响很小，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发，受温度的影响很小，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发，受温度的影响很小，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发展潜力。展潜力。展潜力。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
42、极其敏感，因此对于硅基电容式传线性严重。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。感器，为保证信号的顺利形成和放大有必要采用集成电路。感器，为保证信号的顺利形成和放大有必要采用集成电路。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加速度传感器加速度传感器:加速度传感器在很多领域有应用，比如安全气囊、导航、机器加速度传感器在很多领域有应用，比如安全气囊、导航、机器加速度传
43、感器在很多领域有应用，比如安全气囊、导航、机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，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，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，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，其中其中其中其中g g在纬度
44、在纬度在纬度在纬度4545海拔海拔海拔海拔0m0m的地球引力加速度的地球引力加速度的地球引力加速度的地球引力加速度9.80665m/s9.80665m/s2 2。传感原理的应用传感原理的应用传感原理的应用传感原理的应用-几种典型传感几种典型传感几种典型传感几种典型传感器器器器基本加速度计概念基本加速度计概念基本加速度计概念基本加速度计概念 有有有有3 3个线加速度和个线加速度和个线加速度和个线加速度和3 3个角加速度，共个角加速度，共个角加速度，共个角加速度，共6 6个加速度量。一般角加速度个加速度量。一般角加速度个加速度量。一般角加速度个加速度量。一般角加速度是用相对与转轴一定位置的线加速度
45、来测量的，所以讨论的重点是线是用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是用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是用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。加速度计的设计。加速度计的设计。加速度计的设计。通常加速度计包含一个质量块通常加速度计包含一个质量块通常加速度计包含一个质量块通常加速度计包含一个质量块(proof mass(proof mass，or Seismic mass)or Seismic mass)，然，然，然，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后测量质量块在加速度作用下的位移、质量
46、块作用在框架上的力或者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维持质量块位置所需要的力维持质量块位置所需要的力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即主动加速度计，需要一个闭环控制系即主动加速度计，需要一个闭环控制系即主动加速度计，需要一个闭环控制系统统统统)。测量作用在质量块上的力。测量作用在质量块上的力。测量作用在质量块上的力。测量作用在质量块上的力(F=ma)(F=ma)或引起的位移有多种方法，包或引起的位移有多种方法，包或引起的位移有多种方法，包或引起的位移有多
47、种方法，包括应变计、电容、表面波器件、光学方法括应变计、电容、表面波器件、光学方法括应变计、电容、表面波器件、光学方法括应变计、电容、表面波器件、光学方法(干涉计干涉计干涉计干涉计)和隧道方法等。和隧道方法等。和隧道方法等。和隧道方法等。实际上一个典型的基本型加速度计包含实际上一个典型的基本型加速度计包含实际上一个典型的基本型加速度计包含实际上一个典型的基本型加速度计包含 质量块、弹性件、阻尼元件和质量块、弹性件、阻尼元件和质量块、弹性件、阻尼元件和质量块、弹性件、阻尼元件和限位件。限位件。限位件。限位件。F=ma=kxF=ma=kxrelrel这里这里这里这里k k是弹性常数、是弹性常数、是
48、弹性常数、是弹性常数、x xrelrel是相对于框体的位移。为了获得需要的频率响应、是相对于框体的位移。为了获得需要的频率响应、是相对于框体的位移。为了获得需要的频率响应、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。其力、谐振频率和振动质量串联了一个阻尼器，阻尼力与速度成正比。其力、谐振频率和振动质量串联了一个阻尼器，阻尼力与速度成正比。其力、谐振频率和振动质量串联了一个阻尼器，阻尼力与速度成正比。其力、谐振频率和振动质量因子的表达式为因子的表达式为因子的表达式为因子的表达式为应变计型加速度计应变计型加速度计应变计型加速度计应变计型加速度计 图示为微加工的
49、压阻式加速度计的最早的例子，是图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是19791979年发表年发表年发表年发表(Roylance(Roylance和和和和Angell)Angell)的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是2x3x0.6mm.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
50、100欧的压阻区。最后利用阳极健和Si和7740玻璃。它可以分辨它可以分辨它可以分辨它可以分辨0.001g0.001g的加速度，满量程的加速度，满量程的加速度，满量程的加速度，满量程 200g200g，灵敏度，灵敏度，灵敏度，灵敏度50uV/g.V50uV/g.Vsupplysupply，压阻的，压阻的，压阻的，压阻的温度系数温度系数温度系数温度系数-0.2-0.3%/C,-0.2-0.3%/C,谐振频率谐振频率谐振频率谐振频率2.33kHz2.33kHz。这是一个很好的微器件例子。现在。这是一个很好的微器件例子。现在。这是一个很好的微器件例子。现在。这是一个很好的微器件例子。现在有更复杂的微