第一讲 微传感器与微执行器概述
传感器与执行器基础课程课件
2012-10
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课程目标
完成本次课程后，学员能够：
➢ 解释传感器的工作原理，并检测其性能； ➢ 解释执行器的工作原理，并检测其性能。
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课程内容
➢ 传感器的工作原理和诊断 ➢ 执行器工作原理与诊断
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第一章：传感器的工作原理和诊断 第二章：执行器的工作原理和诊断
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温度传感器的特点
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温度传感器工作原理
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温度传感器的应用
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温度传感器的检测
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实操练习二
温度传感器的检测
➢ 实操目标：
– 能够进行温度传感器的性能检测
➢ 操作时间：
– 30min
➢ 注意事项：
– 强调安全注意事项，如：车辆的使用注意事项，万用表的使用 ，设备的维护，连接器的测量
➢ 实操准备：
– 车辆，开关，电路图，拆装工具 – 万用表，探针，三件套
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滑动电阻式传感器工作原理
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滑动电阻式传感器的应用
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滑动电阻式传感器的检测
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实操练习三
滑动电阻式传感器的检测
➢ 实操目标：
– 能够进行滑动电阻式传感器的性能检测
– 强调安全注意事项，如：车辆的使用注意事项，万用表的使用 ，设备的维护，连接器的测量
➢ 实操准备：
– 车辆，开关，电路图，拆装工具 – 万用表，探针，三件套
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微机电系统及其相关技术
一、表面微机械加工的基本概念
表面微机械加工以硅片为基体，通 过多层膜淀积和图形加工制备三维微结 构。硅片本身不被加工，器件的结构部 分由淀积的薄膜层加工而成，结构与基 体之间的间隙应用牺牲层技术，其作用 是支撑结构层，并形成所需形状的空腔 尺寸，在微器件制备的最后工艺中溶解 牺牲层。
二、表面X光深层光刻工 艺。该工艺需平行的X光光源，由于需要 曝光的光刻胶厚度达几百微米，用一般 的X光光源需要很长的曝光时间，故采用 同步辐射X光光源。它不仅能提供平行的 X光，且强度是普通X光的几十万倍，可 大大缩短曝光时间。
同步辐射光是高速运动的电子在磁 场的作用下发生偏转时所产生的光，其 波长包括了红外线光、可见光、紫外光 和X光。X光深层光刻所需的最佳波长为 0.2nm~0.8nm。 使用得最多得X光光刻胶是一种有 机聚合物聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA俗 称有机玻璃）。一般用模压的方法，抛 光，并获取所需的厚度。
三、多晶硅的表面微机械加工
在多晶硅的表面微机械加工中，以 掺杂或未掺杂的多晶硅作为结构材料， 氧化硅或PSG作为牺牲层材料，氮化硅 作为基体绝缘材料，HF作为化学腐蚀剂 组成一组合理的材料系。目前在硅表面 已能加工复杂的表面微机械零件，如悬 臂梁、齿轮组、曲柄等。 多晶硅表面微机械已是许多静电执 行器的主要加工手段。
1、硅湿法腐蚀的基本原理
硅的湿法腐蚀首先是将被腐蚀材料 氧化，然后通过化学反应使其生成一种 或多种氧化物再溶解。在同一腐蚀液中， 由于混有各种试剂，故两个过程是同时 进行的。 常用的有HF-HNO3腐蚀系统（各向 同性腐蚀）和KOH腐蚀系统（各向异性 腐蚀）。
除了腐蚀液，决定单晶半导体腐 蚀的因素还有很多：晶体取向、导电 类型、掺杂原子浓度、晶格损伤以及 表面结构等。 在一定的条件下腐蚀具有一定的 方向性是硅单晶片腐蚀过程中的重要 特征之一。利用这种特性，可在硅基 片上加工出各种各样的微结构。
微机电系统MEMS简介
陀螺仪
总结词
用于测量或维持方向的传感器
详细描述
陀螺仪是一种基于角动量守恒原理的传感器，用于测量或维持方向。它通过测量物体旋转轴的方向变 化来工作，通常由高速旋转的陀螺仪转子组成。陀螺仪广泛应用于导航、姿态控制、游戏控制等领域 ，如智能手机、无人机和导弹制导系统等。
压力传感器
总结词
用于测量流体或气体压力的传感器
MEMS市场应用领域
消费电子
汽车电子
医疗健康
工业自动化
MEMS传感器在消费电子产品 中的应用广泛，如智能手机、 平板电脑、可穿戴设备等。这 些设备中的传感器用于运动检 测、加速度计、陀螺仪、气压 计等。
随着汽车智能化的发展， MEMS传感器在汽车领域的应 用也越来越广泛，如车辆稳定 性控制、安全气囊、发动机控 制等。
MEMS材料
单晶硅
单晶硅是MEMS制造中最常用的材料 之一，具有高强度、高刚度和良好的 化学稳定性。
多晶硅
多晶硅在MEMS制造中常用于制造柔 性结构，具有较好的塑性和韧性。
玻璃
玻璃在MEMS制造中常用于制造光学 器件，具有较高的透光性和稳定性。
聚合物
聚合物在MEMS制造中常用于制造生 物传感器和柔性器件，具有较好的生 物相容性和可塑性。
集成化
未来的MEMS系统将更加集 成化，能够将多个MEMS器 件集成在一个芯片上，实现 更高效、更低成本的应用。
03
CATALOGUE
MEMS传感器与器件
加速度传感器
总结词
用于测量 物体运动状态的传感器
详细描述
加速度传感器是一种常用的MEMS传感器，主要用于测量物体运动状态的加速度。它通常由质量块和弹性支撑结 构组成，通过测量质量块因加速度产生的惯性力来计算加速度值。加速度传感器广泛应用于汽车安全气囊系统、 手机和平板电脑的姿态控制、运动检测等领域。
微执行器导论
微执行器导论-读书笔记摘要:微执行器可用来产生力与机械运动,就是微机电系统中得重要组成部分、根据敏感源与执行方式得不同,微执行器主要分为静电执行器、热执行器、压电执行器、磁执行器等四大类、本文从原理、制备及应用实例等方面分别对这几类执行器进行了详细得介绍,并简单总结了不同执行器得独特性能与优缺点。
1、简介MEMS技术得迅速发展带来了传感器与执行器得革命性变化。
传感器就是一种检测装置,能感受到被测量得信息,并能将感受到得信息,并按照一定规律将其转换为电信号或其她所需形式得信息输出,以满足信息得传输、处理、存储、显示、记录与控制等要求。
执行器可接收控制信息并对受控对象施加控制作用,主要用来产生机械运动、力与扭矩。
传感器与执行器统称为换能器,利用换能器可以实现信号与能量得转换。
目前受到广泛关注得能量领域有电能、机械能、化学能、辐射能、磁能与热能。
一个系统得能量可以有一个或多个不同得能量域组成,在不同环境下能量可以在各个能域之间进行转换。
由于MEMS得微小化与小尺寸效应,微执行器并非就是简单得传统机械得微型化,其驱动方式与传统机械大有不同,甚至会采用多种执行机制来实现特定功能得微执行器驱动。
微执行器作为可动部分,其动作范围得大小、动作效率得高低、动作得可靠性等指标决定了系统得成败,它就是微机电系统中最重要得环节、在微执行器得设计与选择过程中,有以下几个标准必须考虑:(１)扭矩与力得输出能力;(２)位移范围;(3)动态响应速度与带宽;(4)材料来源及加工得难易程度;(5)功耗得能量得转换效率;(6)驱动偏置函数得线性位移;(7)交叉灵敏度与环境稳定性;(８)芯片占用面积等。
这些因素在很大程度上影响微执行器得性能、生产成本得高低以及商业化生产得程度等。
因此,对微执行器得研究就是微机电系统得核心内容,就是超精密加工技术发展得关键技术基础。
2、执行器工作原理、分类及实例微执行器将能量由非机械能得形式转化为机械能,对于某种特定得执行器驱动,通常会有多种能量转换机制。
21微传感器与微执行器
ε－极板间绝缘介质的介电常数； S－极板面积； U－电压； d－电极间距。
改变电压（40－200V），极板间的距离可变化几个 微米，能产生较大的驱动力。
静电微泵
结构 由四层体微加工的硅片以及电极组成。其
中上两层结构为固定电极和可动电极组成的驱动 部分，下两层构成入口和出口阀。 原理 在电极上加电压时，可动膜片向上变形， 在泵体内形成负压，入口阀打开，液体流入泵内。 电压撤消后，膜 片在弹性力作用下恢 复原位，泵体内压力 增加，出口阀打开， 液体排出泵体。
静电微阀
用氧化硅薄膜作可动电极。阀门腔体腐蚀成 型后得到的氧化硅薄膜自然向上拱曲，阀门 打开。加电压后薄膜被吸引向下拱曲，将阀 门关闭。
2.压电执行器 压电材料特性 外加电场会引起材料变形，反之， 加外力使材料变形时会产生电场。 工作原理 圆柱体中间部分由压电材料制成，图a为 未加电压时的原始位置。将圆柱左侧 夹紧固定，给压电材料加电压，圆柱 体处于图b的位置，右侧右移x。若再 将右侧夹紧固定，并取消电压，则圆 柱体变成图c的位置，整个圆柱体向右 移动x。设计和采用各种巧妙的机械结 构，可以制成各种压电执行器。
3）微型隧道式加速度传感器 隧道效应 一个纳米尺度的极细探针与另一个导电的检测表 面形成两个电极，两极非常接近时（通常为1nm），电子穿 过两极之间的空隙形成隧道电流。当空隙增大时，电流以指 数函数衰减。空隙增大0.1nm，电流减小一个数量级，灵敏 度极高。 采用质量块-悬臂量结构。质量块上有一个极细的探针和检 测电极构成导电隧道。隧道电流的大小与质量块偏移有关， 从而可检测出加速度。也可采用静电力平衡方式，使质量块 和探针不动，由电压变化来测量加速度。这类微加速度传感 器灵敏度很高。
微机电系统课程概述
1、何谓MEMS，Sensors，Actuators，Transducers.MEMS通常指的是特征尺度大于1μm、小于1mm，结合了电子和机械部件，并用IC 集成工艺加工的装置。
它是一个新兴的、多学科交叉的高科技领域，并集约了当今科学技术的许多新兴成果。
Sensors是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
Actuators是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。
执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。
Transducers是将信源发出的信息按一定的目的进行变换。
微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）是一种先进的制造技术平台。
微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。
传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
执行器是自动控制系统中的执行机构和控制阀组合体。
它在自动控制系统中的作用是接受来自调节器发出的信号，以其在工艺管路的位置和特性，调节工艺介质的流量，从而将被控数控制在生产过程所要求的范围内。
转换器（converter）是指将一种信号转换成另一种信号的装置。
信号是信息存在的形式或载体。
在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。
详细介绍：一、（micro-electromechanicalsystem—MEMS）微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。
第一讲 概述
基底上的简单图形
很多原件装配在一起 传感器芯片与接触媒介有接口 缺乏工程设计方法学和标准 少量的导电通孔和引线 无工业标准 批量生产或根据用户需求生产 许多微电子加工技术可以用于生产 独特的制造技术 封装技术尚处于萌芽时期
第一章主要内容
(3)
1、MEMS 概述 • 微机电系统基本概念 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯 2、Mems设计的概念和层次：以气囊设计为 例
Questions
Somebody who asks a question may be stupid for 5 minutes.
Somebody who does not ask, may remain to be stupid for the rest of the life.
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课程内容
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获得1956年 Nobel物理奖
Dec. 23, 1947 First FET NPN Ge Fet W. Schokley J. Bardeen W. Brattain
获得2000年Nobel物理奖
1958, first Iafer
82：U.C. Bekeley，surface silicon process Micro motor
90s: ADI, Accelerator for airbags
Middle 90S：ICP
End of 90s: Sandia, 5 layer poly-silicon surface process
第一章主要内容
(3)
• 微机电系统基本概念及特点 • 微机电系统的例子 • 微机电系统的发展历史 • MEMS与微电子 • 微机电系统技术的发展\应用\市场 • 微机电系统的相关资讯
电路中的传感器与执行器的原理与应用
电路中的传感器与执行器的原理与应用在现代科技发展迅速的时代，传感器和执行器已经渗透到我们生活的方方面面。
无论是智能手机、汽车、家电还是工业机械，都离不开这些重要的元器件。
本文将对电路中的传感器和执行器的原理和应用进行探讨。
一、传感器的原理与应用1. 传感器的原理传感器是指能够将感受到的信息转化为电信号的器件。
其原理主要基于电磁、光电、声学、热敏等物理效应。
以光电传感器为例，当光线照射到传感器上时，光电元件会发生电流变化，通过测量电流的大小来实现对光强的感知。
其他传感器，如温度传感器、压力传感器等，也都运用了类似的原理。
2. 传感器的应用传感器在各个领域得到广泛的应用。
在家居生活中，温度传感器可以监测室内温度，当温度过高时自动启动空调；湿度传感器可以感知室内湿度，当湿度过高时启动除湿器。
在汽车领域，氧气传感器可检测排气中的氧气含量，从而调整发动机工作状态，使之保持在最佳燃烧状态。
在工业制造中，位移传感器可控制机器人的移动方向，实现高精度的操作。
二、执行器的原理与应用1. 执行器的原理执行器是指能够接收电信号并产生相应的动作、力和运动的装置。
常见的执行器包括电机、液压马达和电磁阀等。
电机根据电信号产生旋转力矩，液压马达通过液压系统将电信号转换为液压力，而电磁阀则通过切换电信号的通断来控制气体或液体的流通。
2. 执行器的应用执行器在很多工程中发挥着重要的作用。
在机械工程中，电机广泛应用于驱动机器的转动，如电动车、工业机械等。
在汽车领域，电磁阀用于控制汽车发动机的进气量和排气量。
在工业自动化领域，液压马达被广泛应用于大型机械设备的驱动，如起重机、挖掘机等。
三、传感器与执行器的配合应用传感器和执行器可以相互配合，在电路中形成闭环控制系统。
以恒温器为例，它通过温度传感器感知室内温度，然后将信号传递给电路，电路再将信号发送给加热器，控制室内温度维持在恒定水平。
这种传感器与执行器的配合应用在工业自动化中极为常见，可以实现对机器的高效控制。
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微传感器与微执行器（F340508) , 2014年秋季学期
杨斌
binyang@
2014年9月24日
一、课程简介与要求
二、MEMS发展历史
三、MEMS创新世界
四、中国MEMS的发展
五、选课的理由
微传感与微执行
(F340508)
上课地点：陈瑞球楼209
上课时间：每周一次（周三
上课时间：每周次（周三6‐8节13:00‐15:40）学分：3学分（48学时）
binyang@sjtu edu cn
任课教师：杨斌binyang@
参考书：
参考主要MEMS领域杂志：
参考主要MEMS会议：
课程简介：通过深入细致地讲述微传感器与微执行器的基本原理和典型应用，让学生全面了解MEMS器件的研究现状和发展方向，初步掌握微型器件的原理、加工和应用，从而体会并了解到高科技为生产和生活提供快捷和便利的途径，学会独立思考，培养创新意识。
考核方式
z平时表现（35%）：无故旷课超过2次的视为自动放弃；积极
参与课堂回答问题和讨论。
个人报告（35%）：每人给定篇最新文献，ppt汇报510分钟z每人给定一篇最新文献，5~10
z期末考试（30%）：期末测试
课次时间题目授课教师12013‐09‐24微传感器与微执行器的历史和现状杨斌22013‐10‐08微机械加工技术杨斌32013‐10‐15力学传感器——微型加速度计杨斌42013‐10‐22力学传感器——压力传感器杨斌52013‐10‐29力学传感器——MEMS麦克风杨斌62013‐11‐05力学执行器杨斌72013‐11‐12化学和生物传感器与执行器杨斌82013‐11‐19微流体器件杨斌92013‐11‐26——
射频微器件谐振器与继电器Bio4Apps 国际会议102013‐12‐03微型能量采集器——振动能11月17日至19日112013‐12‐10微型能量采集器——声、热电杨斌122013‐12‐17微型能量采集器——热释电杨斌132013‐12‐24微光学传感器、数字微镜阵列杨斌142013‐12‐31磁传感器杨斌152014‐01‐02磁执行器杨斌
磁执杨
162013‐01‐08期末大报告学生
1出勤率：基本要求
1.无故旷课超过2次的视为自动放弃！
2.课堂秩序：手机静音，电脑关机，提问举手！
3.课堂互动：独立思考，积极提问和回答问题！
4思路条理清晰表达明确声音响亮！
4.学生口头报告：思路条理清晰，表达明确，声音响亮！
教师联系：杨斌，binyang@
微纳院2‐218室
1、集成电路的发明
2、五十年与五个人
3、超越摩尔定律
4、MEMS的定义
1947年12月23日第一个晶体管在贝尔实验室诞生。
实
晶体管的发明是本世纪最伟大的发明之一，它深刻地改变了人类的技术发展进程。
1956∙）年，诺贝尔物理学奖授予了三名主要发明者：约翰∙ 巴丁（John Bardeen）、
威廉∙ 肖克利（William Shockley）、华特∙ 布拉顿（Walter Houser Brattain）。
1952年5月英国科学家达默提出电路集成化的最初设想：由半导体构
成的晶体管，把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。
研制出世界上第一块集成电路，2000年获得诺贝尔物理学奖。
第一块硅基平面双极型集成电路
•仙童公司（Fairchild Semiconductor ）的罗伯特. 诺伊斯进步设想把连线也变成集成电路制造过第块硅基平面双极型集成电路（Robert Noyce ）又进一步设想把连线也变成集成电路制造过程的一部分。
月开发出全平面工艺制成半导体集成电路；•1959年7月，开发出全平面工艺制成半导体集成电路；•1960年制造出第一块可实际使用的单片集成电路。
1960 ISSCC 国际固态电路会议
0国际固态电路会议
1960年前后形成制版、掩模、曝光、刻蚀、氧化、扩散、外延、蒸镀等平面处理技术，1966年，贝尔实验室制造出世界第一块公认大规模集成电路，人类社会由此进入“硅器”时代。
从1960年开始的50 年神话
集成电路与计算机发展历程
•从一个芯片1个晶体管到集成数亿个晶体管
•从200个字节到32G（甚至64G）个字节
•一个房间150KW到今天2W手持电脑
使微处理器这颗数字革命的心脏强劲跳动，为数字时代提供源源不断的动力
对世界最具影响力的五个人
1957年，八大天才叛逆事件
‐‐‐‐乔布斯
路的半导体加工企业
—半导体工业界的信仰
摩尔定律半导体界的信仰
1965年4月19日，时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子
学》杂志35周年专刊写了篇观察评论报告，题目是：让集成电路填满更多
周年专刊写了一篇观察评论报告，题目是：“让集成电路填满更多的元件”。
摩尔首次提出摩尔定律，1975年修正。
1．集成电路芯片上所集成的晶体管的数目，每隔18个月就翻一番。
2．微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一半。
3．用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。
用个美元所能买到的电脑性能每隔个月翻两番
实际：约每三年集成度翻二番（4倍）; 特征尺寸缩小到0.7倍。
摩尔定律还能适用多少年？
20072009
MEMS系统的定义
MEMS的历史
1960‐70’s
‐90’s
‐
三、MEMS的创新世界
Improvement in Electronics MEMS 的应用
Fuel Economy, Driving Safety and Environment require “Intelligent”
C
“intelligence” in Cars will be Enabled By Sensors and T d
Cars
Transducers Automated crash
tifi ti notification Lane departure warning V hi l Tire
Vehicle stability systems
Pressure Pressure
Closing Cabin Humidity Against Windows and Rain
Valves Positioning
And Temperature
Other Emerging Markets?
•Printable, Flexible, Organic Electronics “Killer Application”¾What is the Killer Application that will drive the market ‐$40 billion by 2013 ?
•––‐Green Energy Harvesting Nano Storage ¾Macro Energy Harvesting
Solar Wind Wave
¾Micro Energy Harvesting
Piezoelectric Ki i
Kinetic Thermoelectric
Film Batteries ¾Thin –Alternative Energy Storage
我国培养半导体人才的“黄埔军校”
中国芯片制造工艺水平（1995‐2011）
MEMS二十年
PK世界
理由一内容新讲法新
理由二互动多乐趣多
理由三学知识强科技
1、马云：我最遗憾的错误
我相信两个信条：态度比能力重要，选择同样也比能力重要！
2、马云：不能统一人的思想，但可以统一人的目标
3、马云提醒：细节好的人格局一般都差
①有人觉得我牛，6分钟说服了孙正义，其实是他说服了我。
见孙正义之前，我在硅谷至少被拒绝了40次。
②做企业赢在细节，输在格局。
③格局，“格”是人格，“局”是胸怀，细节好的人格局一般都差，格局好的人从来不重细节，两个都干好，那叫太有才！
4、马云：领导比员工多什么？
①要比眼光：比他看得远；
①要比眼光比他看得远
②要比胸怀：领导的胸怀是委屈撑大的，要能容人所不容；
③要比实力：抗失败的能力比他强；一个优秀的领导人的素质就是眼光、胸怀和实力。
胸怀和实力
5、马云：年轻人必须思考的4大问题
①什么是失败？放弃就是最大的失败。
②什么叫坚强？经历许多磨难、委屈、不爽，你才知道什么叫坚强。
②什么叫坚强？经历许多磨难委屈不爽你才知道什么叫坚强
③你的职责是什么？比别人多勤奋一点、多努力一点、多一点理想，这就是你的职责。
④傻瓜用嘴讲话，聪明人用脑袋讲话，智者用心讲话。
④傻瓜用嘴讲话聪明人用脑袋讲话智者用心讲话
6、马云：人生在世在做人，不是做事
如果一辈子都做事的话，忘了做人，将来一定会后悔。
不管事业多成功、多伟大、多了不起，记住我们到这个世界就是享受经历这个人生的体验。
忙着做事一定会后悔。
结论
知识点1：集成电路
摩尔定律
知识点2：摩尔定律
ＭＥＭＳ
知识点3：ＭＥＭＳ。