MEMS传感器

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4 MEMS传感器

4.1概念与结构

MEMS传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。MEMS是微电子机械系统的缩写,一般简称微机电。

如图14所示,主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。前者功能与传统传感器相同,区别是用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器件。后者功能是对敏感元件输出的数据进行各种处理,以补偿和校正敏感元件特性不理想和影响量引入的失真,进而恢复真实的被测量。

MEMS传感器主要用于控制系统。利用MEMS技术工艺将MEMS传感器、MEMS执行器和MEMS控制处理器都集中在一个芯片上,则所构成的系统称为MEMS芯片控制系统。图15表示了MEMS控制系统。微控制处理器的主要功能包括A/D和D/A转换,数据处理和执行控制算法。微执行器将电信号转换成非电量,使被控对象产生平动、转动、声、光、热等动作。系统接口单元便于同高层的管理处理器通信,以适合远程分布测控。

4.2应用实例

MEMS传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易批产、成本低、可测量各种物理量、化学量和生物量等优势,在航天、航空、航海、兵器、机械、化工等领域,尤其是汽车工业获得较广泛应用,且国外已形成MEMS产业。删S器件目前已有MEMS压力传感器、加速度计、陀螺、静电电机、磁力矩器、电池、多路转换开关和矩阵开关等。本文简介压力传感器和加速度计。

1)压力传感器

MEMS压力传感器一般采用压阻力敏原理,即被测压力作用于敏感元件引起电阻变化。利用恒流源或惠斯顿电桥将电阻变化转化成电压。这种传感器用单晶硅作基片,用^伍^假技术在基片上生成力敏薄膜,然后在膜上扩散杂质形成4只应变电阻,再将应变电阻连接成惠斯顿电桥电路,以获得较高的压力灵敏度,其输出大多为o~5 V模拟量。一枚晶片可同时制作多个力敏芯片,易于批量生产。力敏芯片性能受温度影响,采用调理电路补偿。

2)加速度计

MEMS加速度传感器基于牛顿第二定律f一,m。敏感元件通常由一个平行的悬臂梁构成,梁的一端固定在边框架上,另一端固定一个小质量物体块(约10/.tg)。无加速度a时,质量块不运动,而当有垂直加速度时,质量块运动,对加速度口敏感的力,导致悬臂梁活动端位移。敏感元件的结构主要有悬臂梁式和梳齿状折叠梁式。前者结构简单,采用各向异性体硅材料,用半导体平面工艺,各向异性腐蚀和静电封装制作。后者可看作是悬臂梁的并、串联组合,结构设计复杂,采用各向同性的多晶硅材料,用表面牺牲层技术制作。

基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用

基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用 引言 MAV由于体积和负载能力极为有限,因此,减小和减轻飞控导航系统的体积及重量,就显得尤为重要。本文基于MEMS加速度传感器,设计一种双轴倾角计,该装置精度高、重量轻,可满足MAV的姿态角测量要求,也可用于其他需要体积小、重量轻的倾角测量设备上。 MEMS加速度传感器 ADXL202 是最新的、低重力加速度双轴表面微机械加工的加速度计,以模拟量和脉宽调制数字量2种方式输出,并具有极低的功耗和噪音。表面微机械加工使加速度传感器、信号处理电路高度集成于一个硅片上。和所有加速度计一样,传感器单元是差动电容器,其输出与加速度成比例。加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。差动电容是由悬臂梁构成,而悬臂梁是由很多相间分布的指状电容电极副构成,一副指状电容电极可简化为图1所示的结构。每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移。显然,这些都是很小的电容器,并且,为了降低噪声和提高分辨力,实际上需要尽可能大的差动电容。 悬臂梁的运动是由支撑它的多晶硅弹簧控制。这些弹簧和悬臂梁的质量遵守牛顿第二定律:质量为m 的物体,因受力F而产生加速度a,则F =m a。而弹簧的形变与所受力的大小成比例,即F = kx,所以 x = (m / k)a , 式中x为位移, m; m 为质量, kg; a为加速度, m / s2 ; k为弹簧刚度系数, N /m。 因此,仅有支撑弹簧的刚度和悬臂梁的质量2个参数是可控的。减小弹簧系数似乎是提高悬臂梁灵敏度的一种容易方法,但悬臂梁的共振频率正比例于弹簧系数,所以, 减小弹簧系数导致悬臂梁共振频率降低,而加速度计必须工作在共振频率之下。此外,增大弹簧系数使悬臂梁更坚固。所以,如果保持尽可能高的弹簧系数, 只有悬臂梁的质量参数是可变化的。通常,增大质量意味着增大传感器的面积,从而使悬臂梁增大。在ADXL202中,设计出一个新颖的悬臂梁结构。构成X轴和Y轴可变电容的指状电极沿着一个正方形四周的悬臂梁集成,从而使整个传感器的面积减小,而且,共用的大质量的悬臂梁提高了ADXL202的分辨力。位于悬臂梁四角的弹簧悬挂系统用以使X 轴和Y轴的灵敏度耦合减小到最小。 倾角测量原理 ADXL202 用于倾角测量是最典型的应用之一,它以重力作为输入矢量来决定物体在空间的方向。当重力与其敏感轴垂直时,它对倾斜最敏感,在该方位上其对倾角的灵敏度最高。当敏感轴与重力平行时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化被忽略。当加速度计敏感轴与重力垂直时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化约为17. 5mgn ,但在45°时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化仅为12. 5mgn ,而且,分辨力降低。表1为X, Y轴在铅垂面内倾斜±90 °时,X, Y 轴的输出。 当该加速度计的X, Y轴都与重力方向垂直时,可作为具有滚转角和俯仰角的双轴倾角传感器。一旦加速度计的输出信号被转化为一个加速度, 该加速度将位于- 1 gn 和+ 1 gn 之间。则倾斜角以度表示可按下式计算 θ= arcsin (AX / gn ) γ= arcsin (AY / gn ),

常用传感器的工作原理及应用

常用传感器的工作原理及应用

3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变:物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变:当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件:具有弹性应变特性的物体 3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器。 工作原理:当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构:应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。 应用:广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。 1.电阻应变效应 ○

电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,这种现象称为“应变效应”。 2.电阻应变片的结构 基片 b l 电阻丝式敏感栅 金属电阻应变片的结构 4.电阻应变式传感器的应用 (1)应变式力传感器 被测物理量:荷重或力 一

二 主要用途:作为各种电子称与材料试验机的 测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件:柱式、筒式、环式、悬臂式等 (2)应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式 弹性元件。 (3)应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 (4)应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据:a =F/m 。 3.2电容式传感器 3.2.1电容式传感器的工作原理 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的 平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为 当被测参数变化使得S 、d 或ε发生变化时, 电容量C 也随之变化。 d S C ε=

MEMS压力传感器

MEMS压力传感器 姓名:唐军杰 学号:09511027 班级: _09511__

目录 引言 (1) 一、压力传感器的发展历程 (2) 二、MEMS微压力传感器原理 (3) 1.硅压阻式压力传感器 (3) 2.硅电容式压力传感器 (4) 三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围 (5) 四、MEMS微压力传感器的发展前景 (7) 参考文献 (8)

内容提要 在整个传感器家族中,压力传感器是应用最广泛的产品之一, 每年世界性的压力传感器的专利就有上百项。微压力传感器作为微 型传感器中的一种,在近几年得到了快速广泛的应用。本文详细介 绍了MEMS压力传感器的原理与应用。 [关键词]:MEMS压力传感器微型传感器微电子机械系统 引言 MEMS(Micro Electromechanical System,即微电子机械系统) 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体的微型机电系统。它是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用MEMS技术制作的微传感器在航空、航天、汽车、生物医学、环境 监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的 应用前景。 MEMS微压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产,从而为消费电子和工业过 程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门,使 压力控制变得简单、易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基 于金属弹性体受力变形,由机械量弹性变形到电量转换输出,因此 它不可能如MEMS微压力传感器那样,像集成电路那么微小,而且 成本也远远高于MEMS微压力传感器。相对于传统的机械量传感器,MEMS微压力传感器的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,相对于 传统“机械”制造技术,其性价比大幅度提高。

各种温度传感器分类及其原理.

各种温度传感器分类及其原理

各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化,在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1.热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体A和B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为TO,称为自由端(也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 与塞贝克有关的效应有两个:其一,当有电流流过两个不同导体的连接处时,此处便吸收或放出热量(取决于电流的方向, 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量(取决 于电流相对于温度梯度的方向,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势EAB(T,T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同 的导体或半导体在接触处产生的电势,此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。 温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关,而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。 无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势:热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处a,b 之间便有一电动势差△ V,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由A流向B时,称A为正极,B 为负极。实验表明,当△ V很小时,△ V与厶T成正比关系。定义△ V对厶T 的微分热电势为热电势率,又称塞贝克系数。

传感器分类及常见传感器的应用

机电一体化技术常用传感器及其原理 班级:机械设计制造及其自动化姓名: 学号:

一、传感器的分类 传感器有许多分类方法,但常用的分类方法有两种,一种是按被测物理量来分;另一种是按传感器的工作原理来分。按被测物理量划分的传感器,常见的有:温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、液位传感器、力传感器、加速度传感器、转矩传感器等。 按工作原理可划分为: 1.电学式传感器 电学式传感器是非电量电测技术中应用范围较广的一种传感器,常用的有电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器及电涡流式传感器等。 电阻式传感器是利用变阻器将被测非电量转换为电阻信号的原理制成。电阻式传感器一般有电位器式、触点变阻式、电阻应变片式及压阻式传感器等。电阻式传感器主要用于位移、压力、力、应变、力矩、气流流速、液位和液体流量等参数的测量。 电容式传感器是利用改变电容的几何尺寸或改变介质的性质和含量,从而使电容量发生变化的原理制成。主要用于压力、位移、液位、厚度、水分含量等参数的测量。 电感式传感器是利用改变磁路几何尺寸、磁体位置来改变电感或互感的电感量或压磁效应原理制成的。主要用于位移、压力、力、振动、加速度等参数的测量。 磁电式传感器是利用电磁感应原理,把被测非电量转换成电量制成。主要用于流量、转速和位移等参数的测量。 电涡流式传感器是利用金屑在磁场中运动切割磁力线,在金属内形成涡流的原理制成。主要用于位移及厚度等参数的测量。 2.磁学式传感器 磁学式传感器是利用铁磁物质的一些物理效应而制成的,主要用于位移、转矩等参

数的测量。

3.光电式传感器 光电式传感器在非电量电测及自动控制技术中占有重要的地位。它是利用光电器件的光电效应和光学原理制成的,主要用于光强、光通量、位移、浓度等参数的测量。 4.电势型传感器 电势型传感器是利用热电效应、光电效应、霍尔效应等原理制成,主要用于温度、磁通、电流、速度、光强、热辐射等参数的测量。 5.电荷传感器 电荷传感器是利用压电效应原理制成的,主要用于力及加速度的测量。 6.半导体传感器 半导体传感器是利用半导体的压阻效应、内光电效应、磁电效应、半导体与气体接触产生物质变化等原理制成,主要用于温度、湿度、压力、加速度、磁场和有害气体的测量。 7.谐振式传感器 谐振式传感器是利用改变电或机械的固有参数来改变谐振频率的原理制成,主要用来测量压力。 8.电化学式传感器 电化学式传感器是以离子导电为基础制成,根据其电特性的形成不同,电化学传感器可分为电位式传感器、电导式传感器、电量式传感器、极谱式传感器和电解式传感器等。电化学式传感器主要用于分析气体、液体或溶于液体的固体成分、液体的酸碱度、电导率及氧化还原电位等参数的测量。 另外,根据传感器对信号的检测转换过程,传感器可划分为直接转换型传感器和间接转换型传感器两大类。前者是把输入给传感器的非电量一次性的变换为电信号输出,如光

常见传感器原理介绍

Pellistoren Pellistors使用催化燃烧来测量可燃气体或蒸气在空气的含量直到达到该气体的LEL*。 标准传感器包括一对元件,主要指典型地指探测器和平衡器(参照元件)。探测器包括一颗催化材料的小珠子和其中埋置的铂金导线卷。平衡器和探测器很类似,但小珠子不具有催化作用所以是惰性的。 Figure 1 - Pellistors 两个元件通常被管理在Wheatstone桥梁电路中,如果探测器的阻力与平衡器不同,将导致产品只有输出。 500-550°C的恒定直流电压通过搭桥对元件加热,只有在探测器元件上可燃气体才被氧化,增加的热量会加大电阻,产生的信号与可燃气体的浓度成比例。平衡器帮助平衡四周温度、压力和湿度。 大多数pellistors中的元件被分开放置在金属罐中。在一台完整的气体探测器中(被用于可能爆炸的大气),金属罐通常被放在耐火封套中,这种耐火封套通常由金属多孔状淀土和外套组成。这种封套可以保证气体能到达传感器,但热的传感器元件不会点燃该易爆的气体混合物。因为这种设计十分重要,所以这种封套通常经符合国家标准的特许测试机构检验合格。在不同的国家,这种检测很可能费时及相当昂贵的过程。作为另一种选择,我们提供的完整的探测器将两个元件放入了耐火封套,并符合最新的欧洲(ATEX)并且北美(CSA & UL)标准。 对易爆大气的测量依赖于对可燃气体低于LEL浓度的精确测量。所以在该安全应用中,通常不考虑气体浓度。该测量通常被表示为气体LEL浓度的百分比(%LEL)。

多数可燃气体检测技术用于检测多种气体,理想化的传感器应该是不同的气体有不同的测量结果。但实际上不同的化学形态影响了测量的结果,催化氧化传感器也没有例外。因此,pellistor对不同气体的相同浓度做出的判断是不同的,但当暴露在相同%LEL 浓度的不同气体中时,输出信号的变化相对小于其它检测技术。但因为此安全应用重视%LEL测量也使其成为主要优势。 我们将不同气体产生同样%LEL浓度命名为“相对敏感性”。我们进行了许多实验为CiTipeLs确定一定范围内可燃气体“相对敏感性”的实验价值。 催化毒 某些物质对催化传感器负面影响,有两种可能性: 毒 一些化合物会分解在催化剂并在催化剂表面形成坚实的屏障,这种分解是逐渐形成的,而长时期的曝光会导致传感器的敏感性发生无法恢复的减退。典型的毒物是有机铅和硅化合物。 被抑制 某些其他化合物,特别是硫化氢和被卤化的碳氢化合物,会被被吸收、或形成由催化剂吸收的化合物。这种吸收作用很强大,会使得催化剂的反应点被封闭而造成正常反应被迫停止。由于这种原因造成的传感器敏感性损失是暂时的,大多数情况下放在干净的空气中一段时间后,传感器将恢复工作。 大多数化合物属于上述两类中的一个,可能有些表现出更大或更小的程度。在毒化或被抑制可能存在的应用中,CiTipeLs产品应该被避免暴露于它们不能抵抗的所有化合物中。 LEL说明 * 气体的LEL是指用火源使空气中的该气体爆炸的最低气体浓度。

MEMS传感器现状及应用_王淑华

MEMS传感器现状及应用 王淑华 (中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051) 摘要:M EM S传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了M EMS传感器的分类和典型应用。其次,对M EMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的M EM S传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEM S压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEM S传感器的发展趋势进行了展望。 关键词:微电子机械系统(M EMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器 中图分类号:TH703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)08-0516-07 Current Status and Applications of MEMS Sensors Wang Shuhua (The13th Research I nstitute,CET C,S hi jiazhuang050051,China) A bstract:MEMS senso rs feature g reat varieties,rapid development and w ide applications.Firstly, the catego ries and ty pical applicatio ns of M EMS senso rs are introduced briefly.Then three typi-cal M EMS sensors,i.e.the pressure sensor,acceleromete r and gy ro sco pe are illustrated in de-tail,including the subdivision,current technical capability and perfo rmance index,latest research pro gress,products and their applications.Besides that,the research status of the M EM S pres-sure senso r using new m aterials for the extreme enviro nment at ho me and abro ad is presented. Finally,developm ent trends of M EMS sensors are predicted in te rm s o f new materials,pro ces-sing and assembling technolog y. Key words:microelectromechanical sy stem(M EMS);sensor;accelerome ter;gy roscope;pres-sure senso r D OI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.008 EEACC:2575 0 引 言 MEM S传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是M EMS器件的一个重要分支。1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEM S技术的先河,M EMS技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。作为M EMS最重要的组成部分,M EMS传感器发展最快,一直受到各发达国家的广泛重视。美、日、英、俄等世界大国将M EMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。 随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,MEM S传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工 收稿日期:2011-04-06 E-mail:1117sh uhua@https://www.360docs.net/doc/4e8424293.html,

MEMS压力传感器及其应用_颜重光_图文.

MEMS(微机电系统是指集微型 传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 M E M S 压力传感器可以用类似集成电路(IC设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产,从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门,使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形,由机械量弹性变形到电量转换输出,因此它不可能如MEMS压力传感器那样 做得像IC那么微小,成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过1cm,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器,两者都是在硅片上生成的微机电传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密 半导体电阻应变片组 成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的,具有较高的测量精度、较低的功耗,极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器,如无压力变化,其输出为零,几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 M E M S 硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁,采用M E M S 技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力 最大处,组成惠斯顿测量电桥,作为力电变换测量电路,将压力这个物理量直接变换成电量,其测量精度能达0.01%~0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3

所示,上下二层是玻璃体,中间是硅片,硅片中部做成一应力杯,其应力硅薄膜上部有一真空腔,使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电 MEMS压力传感器及其应用 MEMS Pressure Sensor Principle and Application 颜重光华润矽威科技(上海有限公司(上海201103 本文于2009年3月22日收到。颜重光:高工,上海市传感技术学会理事,从事IC应用方案的设计策划和客户应用技术支持。 摘要:简述M E M S 压力传感器的结构与工作原理,并探讨了其应用、压力传感器Die的设计及生产成本分析,覆盖了从系统应用到销售链。 关键词:M E M S 压力传感器;惠斯顿电桥;硅薄膜应力杯;硅压阻式压力传感器;硅电容式压力传感器 D O I : 10. 3969/j. i s s n. 1005-5517.2009.06.015 图1 惠斯顿电桥电原理 图2 应变片电桥的光刻版本 图3 硅压阻式压力传感器结构 图4 硅压阻式压力传感器实物责任编辑:王莹 技术长廊|智能传感器 58 https://www.360docs.net/doc/4e8424293.html,

市场上常见的压力传感器的种类及原理分析

市场上常见的压力传感器的种类及原理分析 什么是压力传感器呢?压力传感器是指将接收的气体、液体等压力信号转变成标准的电流信号(4~20mADC),以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节的元器件。它主要是由测压元件传感器、测量电路和过程连接件等组成的(进气压力传感器)。 那么压力传感器的种类有哪些呢?就目前市场而言,压力传感器一般有差压传感器、绝压传感器、表压传感器,静态压力传感器和动态压力传感器。对于这几者之间的关系,我们可以这样定义定义:差压是两个实际压力的差,当差压中一个实际压力为大气压时,差压就是表压力。绝压是实际压力,而有意义的是表压力,表压力=绝压-大气压力。静态压力是管道内流体不流动时的压力。动态压力可以简单理解为管道内流体流动后发生的压力。 根据不同的方式压力传感器的种类也不尽相同。小编通过搜集整理资料,将与压力传感器的种类相关的知识做如下介绍,下面我们来看具体分析。 1.扩散硅压力传感器 扩散硅压力传感器工作原理是被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 扩散硅压力传感器原理图 2.压电式压力传感器 (1)压电式压力传感器原理 压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是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,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。 (2)压电式压力传感器的种类与应用 压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压电元件,再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。 现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图,在测量中不允许用水冷却,并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料,压电效

MEMS传感器现状及应用

毕业设计指导

山西大学本科论文MEMS传感器现状及应用 MEMS传感器现状及应用 摘要: MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。 关键词: 微电子机械系统(MEMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器 Current Status and Applications of MEMS Sensors Abstract: MEMS sensors feature great varieties, rapid development and wide applications. Firstly,the categories and typical applications of MEMS sensors are introduced briefly. Then three typi-cal MEMS sensors, i. e. the pressure sensor, accelerometer and gyroscope are illustrated in de-tail,including the subdivision, current technical capability and performance index, latest researchprogress, products and their applications. Besides that, the research status of the MEMS pres-sure sensor using new materials for the extreme environment at home and abroad is presented.Finally, development trends of MEMS sensors are predicted in terms of new materials, proces-sing and assembling technology. Key words: microelectromechanical system(MEMS); sensor; accelerometer; gyroscope; pres-sure sensor

MEMS压力传感器及其应用

MEMS压力传感器及其应用 MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺,进行高精度、低成本的大批量生产,从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门,使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形,由机械量弹性变形到电量转换输出,因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小,成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器,MEMS压力传感器的尺寸更小,最大的不超过1cm,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 一、压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志,而半导体传感器的发展可以分为四个阶段: (1)发明阶段(1945 - 1960 年):这个阶段主要是以1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后,半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(C.S. Smith)与1945 发现了硅与锗的压阻效应,即当有外力作用于半导体材料时,其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上,即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。 (2)技术发展阶段(1960 - 1970 年):随着硅扩散技术的发展,技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上,然后在背面加工成凹形,形成较薄的硅弹性膜片,称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点,实现了金属- 硅共晶体,为商业化发展提供了可能。 (3)商业化集成加工阶段(1970 - 1980 年):在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术,扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主,

MEMS技术的最新发展和MEMS传感器

作业2:叙述MEMS技术的最新发展并介绍几种MEMS传感器 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法,在日本被称为微机械,在欧洲被称为微系统,MEMS就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。在代工厂中,通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中,或者增加新的结构层来制作MEMS产品。作为纳米科技的一个分支,MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域,从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分,它是在融合多种微细加工技术,并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业,就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样,MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测,未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势,年平均增加率约为18%,因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初,当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形,会影响其表面的压敏电阻走线,这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计,用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于20世纪90年代,主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪,而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于世纪之交,微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条,但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。 目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展,其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针,以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。 MEMS传感器已经存在几十年了,并成功的渗透到一些大规模应用的市场,如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功,但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车电子和消费类电子市场的驱动,这种状况在下一个十年中有望得到改变。 MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计,任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求,其原理是将运动(例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动)转化为屏幕上的游戏行为。在2006年5

MEMS传感器在汽车安全系统中的应用

为了监测车辆翻滚的这种状态,把陀螺仪输出的传感器信号与低g值加速度传感器的输出信号结合起来是至关重要的。通过处理两个传感器给出的信号,系统的算法确定车的Z轴以及垂直线之间的夹角,以及每一时刻车辆的角速度ωx。因此,车辆翻滚感测算法及时确定准确的时间点和位置,从而爆开特定的气囊或主动收紧绑在乘员身上的安全带,起到保护作用。 此外,电子稳定程序系统也是MEMS传感器的一个重要应用领域,它能够在所有的驾驶情况下提高车辆的行驶稳定性。通过传感器测量车辆的偏航率,并把它与其它参数类似转向角和速度一一进行比较,可以检测过度转向或转向不够这样的行驶状况。如果行驶过程中需要ESP发挥作用,那么,该系统会自动地分别制动车轮。因此,传感器提供的信号是ESP算法执行的根本基础,是提高行车稳定性的关键。 MEMS偏航传感器一般由容性硅振荡器构成,其周围是若干悬浮的网状材料。当受到垂直于振动轴的外部旋转运动的作用时,作用力使振动面出现偏离,从而导致电容的变化让驾驶员做出准确的操作。 目前,汽车安全系统应用中的偏航传感器的发展趋势是具有高偏移量稳定性、振动鲁棒性以及全数字信号处理功能。这使之比模拟传感器更为耐用。永久性的主动内部故障检测功能,使故障识别以及主动自测功能成为可能,因此,有助于增强可靠性。此外,根据整车系统设计的需要,传感器串由于采用了灵活的结构,能够在不同的车辆方向上监测偏航率以及加速度,因此,适合于高度动态以及高度精密的系统,如电子稳定程序、翻滚减轻系统以及电子主动操纵系统等等。偏航传感器与加速度传感器的结合构成一体化的传感器平台也是汽车传感器一大发展趋势。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台,正品现货、优势价格、迅捷配送,是一站式采购的工业品商城!具有10年工业用品电子商务领域研究,以强大的信息通道建设的优势,以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力,为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型,报价,采购,参数,图片,批发信息,请关注艾驰商城https://www.360docs.net/doc/4e8424293.html,/

剖析MEMS传感器的三大应用领域

剖析MEMS传感器的三大应用领域 来源:互联网 [导读] MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 关键词:可穿戴设备MEMS汽车电子 随着可穿戴智能设备的发展,特别是医疗可穿戴智能设备,主要依靠MEMS传感器,从而检测到穿戴者的身体各项信息。那么什么是MEMS传感器呢? MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是MEMS传感器在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。 截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。 MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。 它的主要应用有一下三个方面: 1.应用于医疗 MEMS传感器应用于无创胎心检测,检测胎儿心率是一项技术性很强的工作,由于胎儿心率很快,在每分钟l20~160次之间,用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪,用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪,价格昂贵,仅为少数大医院使用,在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外,超声振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不利作用尽管检测剂量很低,也属于有损探测范畴,不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。 基于VTI公司的MEMS加速度传感器,提出一种无创胎心检测方法,研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。 通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号,经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理,用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理,最后输出处理结果。

MEMS传感器的发展说课讲解

MEM传感器的现状及应用0引言 MEMS (微电子机械系统)传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计开创了MEMS技术的先河。此后,MEMS技术的快速发展使得MEMS 传感器受到各发达国家的广泛关注,与此同时,美国、俄国、日本等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定相关的计划并投入巨资进行专项研究。 MEMS传感器具有体积小、质量轻、功耗低、灵敏度咼、可靠性咼、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势,从而促进了传感器向微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。步入21世纪以后,MEMS传感器正逐步占据传感器市场,并逐步取代传统机械传感器的主导地位,在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域备受青睐。 1 MEMS专感器的分类及原理 MEMS传感器种类繁多,按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、生物MEMS传感器。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。目前,MEMS压力传感器、MEMS加 速度计、MEMS陀螺仪等已在太空卫星、运载火箭,航空航天设备、飞机、各种车辆、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。 MEMS传感器主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。前者功能与传统传感器相同,主要区别在于用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器

件的同时对敏感元件输出的数据进行各种处理,以补偿和校正敏感元件特性不理想和影响量引入的失真,进而恢复真实的被测量。 待测量 / : 基片/ :——------- -------------- 图1.1 MEMS传感器原理图 MEMS传感器主要用于控制系统。利用MEMS技术工艺将MEMS传感器、MEMS执行器和MEMS控制处理器都集中在一个芯片上,则所构成的系统称为MEMS芯片控制系统。微控制处理器的主要功能包括A/D和D/A转换,数据处理和执行控制算法;微执行器将电信号转换成非电量,使被控对象产生平动、转动、 声、光、热等动作。 2 MEMS专感器的典型应用 2.1 MEMS压力传感器 MEMS压力传感器一般采用压阻力敏原理,即被测压力作用于敏感元件引起电阻变化,利用恒流源或惠斯顿电桥将电阻变化转化成电压,是目前应用最为 广泛的传感器之一,其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。这种传感器以单晶硅作材料,并采用MEMS技术在材料中间制成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥的方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。从信号检测方式来划分,MEMS压力传感器可分为压 阻式、电容式和谐振式等; 2.1.1 MEMS压力传感器在汽车上的应用 MEMS传感器是在汽车上应用最多的微机电传感器。汽车上MEMS压力传感器可用于测量气囊贮气压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过

各种温度传感器分类及其原理.

各种温度传感器分类及其原理 温度传感器是检测温度的器件,其种类最多,应用最广,发展最快。众所周知,日常使用的材料及电子元件大部分特性都随温度而变化, 在此我们暂时介绍最常用的热电阻和热电偶两类产品。 1. 热电偶的工作原理 当有两种不同的导体和半导体 A 和 B 组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为 T ,称为工作端或热端,另一端温度为 TO ,称为自由端 (也称参考端或冷端,则回路中就有电流产生,如图 2-1(a所示,即回路中存在的电动势称为热电动势。这种由于温度不同而产生电动势的现象称为塞贝克效应。与塞贝克有关的效应有两个:其一, 当有电流流过两个不同导体的连接处时, 此处便吸收或放出热量 (取决于电流的方向 , 称为珀尔帖效应;其二,当有电流流过存在温度梯度的导体时,导体吸收或放出热量 (取决于电流相对于温度梯度的方向 ,称为汤姆逊效应。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。热电偶的热电势 EAB(T, T0 是由接触电势和温差电势合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势, 此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势, 此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关, 而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。无论接触电势或温差电势都是由于集中于接触处端点的电子数不同而产生的电势, 热电偶测量的热电势是二者的合成。当回路断开时,在断开处 a , b 之间便有一电动势差△ V ,其极性和大小与回路中的热电势一致,如图 2-1(b所示。并规定在冷端,当电流由 A 流向 B 时, 称 A 为正极, B 为负极。实验表明,当△ V 很小时,△ V 与△ T 成正比关系。定义△ V 对△ T 的微分热电势为热电势率, 又称塞贝克系数。塞贝克系数的符号和大小取决于组成热电偶的两种导体的热电特性和结点的温度差。 2. 热电偶的种类

《常见传感器的工作原理》教学设计要点

《常见传感器的工作原理》教学设计 山东版高中物理选修3-2第六章第二节 福建省建阳一中李瑜 一.教学思路:根据《课程标准》强调对传感器教学应侧重从技术应用的角度展示物理,强调物理学科与技术的结合,着重体现物理学的应用性、实践性。本课的教学思路是通过创设问题情境,引发对传感器工作原理的探究,进入新课教学。整节课以实验贯穿始终,通过对实验的观察、思考和探究,了解什么是光电传感器、温度传感器,传感器是如何将非电学量转换成电学量的,并抓住这一共性原理特征,使学生学会利用传感器的工作原理设计、制作简单的自控装置。但由于学生思维能力发展上的不成熟性,还不能成为完全独立的探究主体等特点,本节课的实验探究过程是在教师引导和启发下,学生独立思考、主动探索的过程。教学时力避深奥的理论,侧重于联系实际,让学生感受传感器的巨大作用,进而提高学生的学习兴趣,培养学生热爱科学的情感和崇尚科学的精神。本节课计划用2课时完成,该教学设计为第一课时。 二.教学重点:实验探究光敏电阻和热敏电阻的特性,理解传感器是如何将非电学量转变为电学量的 三.教学难点:本节的教学难点是设计简易温度报警器。虽然原理比较简单,但要学生独立设计出来却不容易。本教学难点的突破应在学生对光电报警电路原理的充分理解和熟知热敏电阻的阻值特性的基础上,通过提升传感器控制电路的共性特征,使设计简易温度报警器的难度降低,水到渠成。 四.教学目标:通过对光敏电阻阻值特性、热敏电阻阻值特性的实验探究,让学生在了解传感器是如何将非电学量转变为电学量的基础上,学会利用传感器设计简单的自控装置。在此过程中让学生经历科学探究过程,学习科学研究方法,培养学生的观察能力、实践能力和创新思维能力。通过动手实验,激发学生的学习兴趣,拓

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