《微系统技术基础微系统工作原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微系统技术基础微系统工作原理（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 微系统工作原理微系统工作原理微传感器与微驱动器原理（一）n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n了解这些器件的工作原理对新MEMS器件设 计是重要的n本章给出的只是器件原理的基本信息n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n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。n 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
2、，微传感器占到90%。微传 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 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。n 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 。一一 微型机械量传感器微型机械量传感器1 1 传感原理传感原理 电阻电阻( (包括压阻包括压阻) )传感传感、压电传感压电传感、电容电容 传感传感和和隧道传感；隧道传感； 一一2 2 微型传感器微型传感器
3、加速度传感器加速度传感器、压力传感器；压力传感器； 二二3 3 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SFMSFM传感器、传感器、 压电压电SFMSFM传感器、电容式传感器、电容式SFMSFM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半导体材料，特别是半导体材料，特别是GeGe和和SiSi，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 19571957年。在此以前年。在此以前C.S.SmithC.S.Smith发表了发表了GeG
4、e和和SiSi的压阻系数比其它材料高的结的压阻系数比其它材料高的结 果。果。F.P.BurnsF.P.Burns用两块用两块SiSi薄片制成了声音传感器，薄片制成了声音传感器，W.P.MasonW.P.Mason等人几乎在等人几乎在 同时发表了更实用化的同种器件。二者是压阻传感的开始。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 。19601960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 , ,W.P
5、.WasonW.P.Wason等人制作了细长的等人制作了细长的SiSi传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计 使用。使用。19611961和和19621962年的年的Instrument Society of AmericaInstrument Society of America大会上半导体应大会上半导体应 变传感器相关的报告很多。在此基础上，变传感器相关的报告很多。在此基础上，MicroSystemMicroSystem、Baidwin-Lima-Baidwin-Lima- HamitonHamiton、和、和Kulite-BytrexKulite-Bytre
6、x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（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 Hall EffectEffect）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。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。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
7、何应用的。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。漂移、系统复杂性等。第一第一 电阻和压阻应变传感电阻和压阻应变传感应变传感器应变传感器(Strain (Strain Sensor)Sensor)是许多微型器件上的一个集成部件，用是许多微型器件上的一个集成部件，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于测量应变，或者直接测
8、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比例变化，这部分是由于尺寸变化( (StrechingStreching) )，也部分由于也部分由于18561856年年 Lord Lord KelvinKelvin发现压阻效应发现压阻效应( (PiezoresistivePiezoresistive) )。传感器的灵敏度因设计不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同有很大差别。种类繁多的传感器可以
9、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。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(Gauge Factor)(Gauge Factor)表示表示( (这里这里 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GFGF影影 响的表达式。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(in (in ) )。其中其中 电阻率，电阻率，in in cm cm；L L是长度是长度in cmin cm；A A是截面积，是截面积，in cmin cm2 2。求
10、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 向尺寸的相对变化。向尺寸的相对变化。上式除以上式除以R R得得截面积截面积A A与其横向尺度与其横向尺度D D的的2 2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( (传感器材料传感器材料 电阻率的变化电阻率的变化) )。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 事
11、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 有大的压阻效应。有大的压阻效应。Type of Strain GaugeGauge FactorMetal foil1 to 5Bar Semiconductor80 to 150Diffusion Semiconductor80 to 200Table comparing the gauge factors of differential types of strain gauge金属应
12、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 随应变的变化不大随应变的变化不大( (只要其截面尺寸远大只要其截面尺寸远大 于晶粒尺寸于晶粒尺寸) )，而其，而其 值值0.3-0.50.3-0.5之间之间, ,它对它对GFGF是二倍的影响。然而，实是二倍的影响。然而，实 际上宏观的金属应变传感器际上宏观的金属应变传感器GFGF值大于尺寸效应，所以应该有一些压值大于尺寸效应，所以应该有一些压 阻效应在其作用。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, ,金
13、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 。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GFGF值。值。P-typeP-type 硅的硅的GFGF值高达值高达200200，而，而n-typen-type硅的硅的GFGF是负值，可以低至是负值，可以低至-140-140。传感器可以用。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
14、。遗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。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。（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 偿偿) )。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 关关) )。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，
15、而在n-typen-type材材 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。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。( (他们他们 不是各项异性不是各项异性) )。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的方。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
16、温度升高则载流子迁移率低电阻率面。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(depletion region)(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，些影响，( (比如改变注入剂量比如改变注入剂量) )，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 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 者直接测量位移者直接测量位移) )。压电单晶压电单晶 压电高分子压电高分子 压电陶瓷压电陶瓷第三第三 电容传感原理电容传感
