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1、MEMS系统及应用MEMS系统及应用 Micro-Electro-Mechanical Systems 雷鑑铭 光学与电子信息学院微电子工程系光学与电子信息学院微电子工程系 2014年年9月月 雷鑑铭雷鑑铭 MEMS和微系统和微系统设计与制造设计与制造 （美） 徐泰然（美） 徐泰然（Tai-Ran Hsu) 著 王晓浩 著 王晓浩/熊继军等译 机械工业出版社 熊继军等译 机械工业出版社 2004年年1月出版月出版 参考书：参考书： 雷鑑铭雷鑑铭 讲授内容 一. MEMS系统概论 二. MEMS系统工作原理 三. MEMS系统加工工艺 四. MEMS制造综述 五. MEMS系统设计及应用 六.
2、MEMS系统封装 雷鑑铭雷鑑铭 第二部分 MEMS工作原理 雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微执行器的分类 基本致动方式介绍 微执行器的实例 微传感器的应用 光MEMS 纲要 雷鑑铭雷鑑铭 微传感器 微传感器是今天最广泛是使用的MEMS器件 传感器是一种将能量从一种形式转变成另一种形式，并针对 特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出器件。 如压力传感器把使薄膜变形的能量转变为电能量（信号）输 出。 微传感器可用来测量很多物理量，如温度、压力、声、光、 核辐射、磁通量，以及化学成分等。一般而言，它们覆盖了 10种不同的测量领域，下面将会介绍到
3、他们的主要应用。 雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的概念微传感器的概念 微传感器：基于微传感器：基于MEMS工艺的工艺的，能把被测物理量转 换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元 件组成。 MEMS微传感器原理框图 雷鑑铭雷鑑铭 量程：测量范围上限值和下限值的代数差。 灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值 线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。 分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最 小变化量。 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试 时所得特性曲线不一致程度。 频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作 的频率区间。 微传感器的技术指标微传感器的技术指标 雷
4、鑑铭雷鑑铭 对于线性传感器，它的灵敏度就是它 的静态特性的斜率，即。非线性 传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感 器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的， 即传感器的输出-输入特性为直线。 灵敏度灵敏度 雷鑑铭雷鑑铭 线性度线性度 传感器的线性度是指传感器输出与输 入之间的线性程度。传感器的理想输出输 入特性是线性的，它具有以下优点： （1）可大大简化传感器的理论分析和设计计 算； （2）为标定和数据处理带来很大方便，只要 知道线性输出输入特性上的两点就可以确 定其余各点。 雷鑑铭雷鑑铭 （3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、 安装、调试容易，提高测量精度； （4）避免了非线性补偿环节。 实际
5、上许多传感器的输出输入特性 是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效 应，一般用多项式表示输出输入特性。 雷鑑铭雷鑑铭 附例：附例：一个微加速度传感器的指标一个微加速度传感器的指标 灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 抗冲击：2000g重量：8mg 安装螺纹：M5 mm 线性：1% 横向灵敏度：5% 典型值：3% 输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC 温度范围：-40+120 壳绝缘电阻： 安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹) 几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm 雷
6、鑑铭雷鑑铭雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微执行器的分类 基本致动方式介绍 微执行器的实例 微传感器的应用 光MEMS 纲要 雷鑑铭雷鑑铭 按传感机理分按传感机理分 压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流 按物理参数分按物理参数分 力（加速度/压力/声） 热（热电偶/热阻） 光（光电类） 电磁（磁强计） 化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械） 微传感器的分类微传感器的分类 雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微执行器的分类 基本致动方式介绍 微执行器的实例 微传感器的应用 光MEMS 纲要 雷鑑铭雷鑑
7、铭 (1)压阻敏感原理压阻敏感原理 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压阻效应。 在外力的作用下，结 构中的薄膜或梁上产 生应力分布，应力的 存在使得压敏电阻的 阻值发生变化 微传感器的敏感原理微传感器的敏感原理 雷鑑铭雷鑑铭 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压阻变化的具体过程 雷鑑铭雷鑑铭 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。 雷鑑铭雷鑑
8、铭 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 雷鑑铭雷鑑铭 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 雷鑑铭雷鑑铭 压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥 惠斯顿电桥连接图 S+ S2- S1- O-O+ 输出电压 雷鑑铭雷鑑铭 雷鑑铭雷鑑铭 电容式微传感器的基本结构 (2)电容敏感原理电容敏感原理 利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元 件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。 雷鑑铭雷鑑铭 间隙变化型：改变两极板间隙 面积变化型：改变形成电容的有效面积A 介质变化型：改变两极间介质的介电常
9、数 平行板电容器的电容为 雷鑑铭雷鑑铭 间隙变化型电容式微传感器 利用泰勒级数展开，由麦克劳林公式可得 雷鑑铭雷鑑铭 略除高阶无穷小项，得 这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为 雷鑑铭雷鑑铭 采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性： 雷鑑铭雷鑑铭 (3)隧道电流敏感原理(3)隧道电流敏感原理 在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电 压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会 穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。 隧道电流 质量块 隧道探针 输入 感应 力方 向 膜 隧道电流式微传感器的基本结构 雷鑑铭雷鑑铭 为直流驱动电压，单位为V； 为隧道电流， 单位为A； 为常数，等
10、于； 为 有效隧道势垒高度，单位为eV； 为隧道电极 间距，单位为nm。在标准情况下(0.5 eV， 1nm)，隧道电极间距变化0.1nm时，隧道电 流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种 微传感器。 雷鑑铭雷鑑铭 隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪 声小、温度系数小以及动态性能好等特点。 隧道电流随距离d的变化曲线 雷鑑铭雷鑑铭 (4)压电敏感原理压电敏感原理 压电效应: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：逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材 料会表现
11、出一定的形变（伸长或缩短）。 雷鑑铭雷鑑铭 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 雷鑑铭雷鑑铭 (5)谐振式敏感原理谐振式敏感原理 当加速度计连接的外壳的振动频率接近器 件的固有频率时，共振就会发生；也就是 /n1.0。检测质量在这个频率下 振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件 在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振 动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的 优势已经在微传感器设计中被利用。 雷鑑铭雷鑑铭 Howe1987发展了一个分析承受纵向力的 振动梁在模态1时的固有频率的理论 雷鑑铭雷鑑铭 y(x
12、,t)满足 其中 是梁单位长度的质量 雷鑑铭雷鑑铭 雷鑑铭雷鑑铭 (6)热对流式敏感原理热对流式敏感原理 向加热元件施加一定的热功率，加热元件周 围形成温度场，流体流动使温度场发生变化， 分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。 被测流体的质流量与加热件上下游端的温度 差T之间的关系为： P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热 雷鑑铭雷鑑铭 雷鑑铭雷鑑铭 传感器 类型 测量 范围 精度频响 线性 度 信号处理电路 结构 工艺 技术成 熟性 压阻式大中高较好简单电桥电路简单好 电容式小高中较好 高灵敏度的开关 电容或电桥电路 复杂差 谐振式小高中较好 宽频带闭环 谐振回路 复杂差
13、 压电式大低高较好电荷放大器简单好 隧道式小高高较差 高灵敏度电流 检测电路 复杂差 热对流式大中低一般热敏电阻电桥简单差 各种敏感原理特点比较 雷鑑铭雷鑑铭 各种敏感原理的优缺点各种敏感原理的优缺点 优点缺点 静电敏感材料简单需要较大的器件尺寸以得到 足够大的电容 较低的工作电流与工作电压信号读出电路复杂 响应速度快对微粒与湿度敏感 热敏感材料简单相对较大的功耗 省去了可动部件相对静电敏感响应速度较慢 压阻敏感高灵敏度需要硅掺杂工艺以获取高性 能的压敏电阻 材料简单（金属应变计）对环境温度变化敏感 压电敏感电信号自产生能力，无需外 加电源 材料生长和制造工艺流程复 杂，不能在高温条件下工作
14、雷鑑铭雷鑑铭雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微执行器的分类 基本致动方式介绍 微执行器的实例 微传感器的应用 光MEMS 纲要 雷鑑铭雷鑑铭 微传感器的实例微传感器的实例(1)力学力学 微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风 微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风 雷鑑铭雷鑑铭 微加速度传感器微加速度传感器 主要用于测量物体运动过程中的加速度： 过载、振动和冲击 压阻式、电容式、压电式、隧道电流式 微加速度计。 雷鑑铭雷鑑铭 压敏电阻 空隙 玻璃盖板 质量块 导电胶 引线 第一个微加速度计的剖面结构示意图 雷鑑铭雷鑑铭 梁 基
15、座 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 雷鑑铭雷鑑铭 单悬臂梁微加速度计 双悬臂梁微加速度计 东南大学压阻式微加速度计样品SEM照片 雷鑑铭雷鑑铭 美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计 雷鑑铭雷鑑铭 电容式电容式 悬浮支架加速度 固定支架 导电电极 衬底 质量块 a)垂直敏感电容微加速度计结构 固定支点 加速度 悬浮支架 质量块 感应叉指 b) 水平敏感电容微加速度计结构 电容式加速度计的不同敏感电容 雷鑑铭雷鑑铭 1) 平行板电容式微加速度计1) 平行板电容式微加速度计 “三明治”结构电容式微加速度计结构 硅 玻璃 玻璃
16、 硅 硅 平行板结构电容 式微加速度计虽然 具有较高的灵敏度 ，但是其制作需要 腐蚀、组装、键合 等多种工艺，过程 复杂，无法与硅平 面工艺兼容，难以 实现批量化、低成 本生产。 平行板结构电容 式微加速度计虽然 具有较高的灵敏度 ，但是其制作需要 腐蚀、组装、键合 等多种工艺，过程 复杂，无法与硅平 面工艺兼容，难以 实现批量化、低成 本生产。 雷鑑铭雷鑑铭 2) 梳状电容式微加速度计2) 梳状电容式微加速度计 挠性梁 定齿 基底 位移 定齿 位移 定齿 立柱 敏感质量 C1 C2 梳状结构梳状结构的电容式微加速度计一般采用叉指结构叉指结构，属于 硅材料线加速度计，其结构加工工艺与集成电路加工工艺 兼容性好，可以将敏感元件和信号调理电路用相同的工艺 在同一硅片上完成，实现整体集成。 雷鑑铭雷鑑铭
