MEMSsensor微传感器原理_图文.

mems传感器原理

mems传感器原理MEMS传感器原理MEMS传感器是一种微型传感器，全称为Micro-Electro-Mechanical Systems传感器，是利用微机电技术制造的传感器。

它的工作原理是通过微小的机械运动或电学信号的变化来测量和检测物理量。

MEMS传感器广泛应用于手机、汽车、医疗设备等各个领域，成为现代科技的重要组成部分。

1. MEMS传感器的结构MEMS传感器的核心部分是微机电系统。

它由微小的机械结构和电学部分组成。

微小的机械结构通常由硅片制成，具有非常高的精度和稳定性。

电学部分则包括传感器的电路和信号处理单元。

这些部分通过微纳加工技术相互结合，形成一个完整的MEMS传感器。

2. MEMS传感器的原理MEMS传感器的工作原理主要分为机械型和电容型两种。

机械型MEMS传感器利用微小的机械结构的运动来感知物理量。

例如，加速度计就是一种机械型MEMS传感器。

它通过测量微小结构的运动变化来检测物体的加速度。

当物体加速或减速时，微小结构会受到力的作用，从而产生微小的位移。

通过测量这个位移，可以确定物体的加速度。

机械型MEMS传感器还可以用于测量压力、温度等物理量。

电容型MEMS传感器则利用电学信号的变化来感知物理量。

其中最常见的是电容式加速度计。

电容式加速度计由两个电极组成，当传感器受到加速度时，电极之间的电容会发生变化。

通过测量电容的变化，可以确定物体的加速度。

电容型MEMS传感器还可以用于测量角度、磁场等物理量。

3. MEMS传感器的优势MEMS传感器相比传统的传感器具有许多优势。

MEMS传感器体积小、重量轻。

由于采用了微纳加工技术，MEMS 传感器可以制造出非常微小的结构，从而大大减小了传感器的尺寸和重量。

这使得MEMS传感器可以方便地集成到各种设备中，如手机、智能手表等。

MEMS传感器功耗低。

由于体积小，MEMS传感器所需的电力也较低。

这不仅延长了电池寿命，还降低了能源消耗。

MEMS传感器响应速度快。

MEMS传感器及其应用 ppt课件

微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。 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。
典型的MEMS压力传感器

典型的MEMS压力传感器管芯（die）结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。 MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内（MCM），使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。
MEMS压力传感器

MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如 TPMS（轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。

1)影像传感器简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件也过大，不到「微」的地步，所以此属于光电半导体，属于光学、光电传感器。 2)亮度传感器

外界并不清楚iPhone4用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone4直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。

(完整版)MEMS微传感器的工作原理(2)

电磁式微执行器实例(6) 电磁致动微阀
出口
入口
氮化绝缘层金线圈多晶硅
永磁体
德国的电磁致动微型阀
德国研制的电磁致动微阀，阀片为牺牲层技术制作的多晶硅膜。这是为小型气体分析仪设计的微阀结构，设计的压力指标为1050kPa，过流能力为220mL/min，响应时间为 5ms。
电流流过U 形导线时会在两条导线之间产生排斥力。类似地，在一条置于磁场中的柔性金属线上通以电流，导线会发生偏转。
电磁式微执行器实例(3) 热气动微波形管执行器
表面微机械“波形管” 执行器带有一个环形的折叠状薄膜结构，相对于简单的薄膜，这种结构可以得到更大的偏移。
热气动活塞执行器
体积膨胀气体驱动的活塞执行器，沿着衬底所在的平面平行移动。在多晶硅加热器的作用下形成了水蒸汽的气泡，并在活塞腔内膨胀，将活塞向外推。当加热停止时，活塞腔内的气泡破裂，活塞返回原来位置。在衬底表面平整的情况下，基于表面张力的执行器所能提供的力能达到其它方式所能提供力的两个数量级以上。
微执行器的特点
与传统执动器相比，微执动器的特点有微系统加速快、速度高；仅需极小的驱动力；随元器件尺寸的微型化、热膨胀、振动等环境干扰因
素小。
微致动器的分类
按致动原理分静电式微执行器压电式微执行器热力微执行器电磁式微执行器形状记忆合金微执行器
微执行器的致动方式
(1)静电式微执行器
梳状驱动加速度计
2.执行器
梳状驱动执行器常常用来产生面内或离面位移。用于光开关的梳状驱动器
大位移梳状驱动执行器
右图是Sandia国家实验室研制的一种齿轮传动的机械装置。
静电悬臂驱动

MEMS微传感器的工作原理(1)

理，可以设计各种微传感器。
改变2倍。利用这个原
d
It
(3)隧道电流敏感原理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
(4)压电敏感原理压电效应: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：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。
d
d
It
(Байду номын сангаас)隧道电流敏感原理
It V b e xpd
I: 隧道电流，单位为A；
:t 直流驱动电压，单位为V；
1.0 2n 5m eV V: 常数，等于
；
:b 有效隧道势垒高度，单位为eV；
: 隧道电极间距，单位为nm。
1 12
在标准情况下(0.5eV,1nm)，隧道电极间距d 变化0.1nm时，隧道电流
微传感器的分类按传感机理分
压阻压电隧道电容谐振热对流
微传感器的敏感原理 (1)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。
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。
E
压阻变化的具体过程
东南大学压阻式微加速度计样品 SEM（扫描电镜）照片
美国IC Sensor公司生产的压阻式加速度计
电容式
悬浮支架加速度
固定支架导电电极
质量块
衬底
a)垂直敏感电容微加速度计结构
固定支点
加速度质量块
感应叉指
悬浮支架

第十五章MEMS传感器讲述课件

感谢您的观看
THANKS
应用范围
体微加工技术适用于制造一些特殊类型的MEMS传感器，如流体传感器、生物传感器等。
键合与封装技术
定义
键合与封装技术是将MEMS传感器与外部电路和保护壳体进行连
接和封装的过程。
工艺流程
键合与封装技术包括芯片粘接、引线键合、密封填充等步骤，以确保 MEMS传感器能够在实际应用中稳定工作。
。
集成化
MEMS传感器通常与其他电子器件集成在一起，形成一个完整的系统
。
高精度
MEMS传感器的精度非常高，能够实现高精度
的测量。
低功耗
MEMS传感器的功耗非常低，能够延长设备的
续航时间。
材料选择
单晶硅
单晶硅是MEMS传感器的主要材料之一，具有高强度、高刚度和良好的热稳定性。
多晶硅
多晶硅材料具有较好的塑性和韧性，适合用于制造柔性MEMS传感器。
未来发展趋势
01
新材料应用
随着新材料的发展，MEMS传感器的性能将得到进一步提升。
02
智能化
未来MEMS传感器将更加智能化，能够自适应调整参数以提高性能。
03
网络化
随着物联网技术的发展， MEMS传感器将更加网络化，实现远程监控和管理。
04
个性化与定制化
随着需求的多样化，MEMS传感器的设计和应用将更加个性化与定制化。
分辨率与精度
分辨率
分辨率是指传感器能够检测到的最小输入信号变化量。分辨率越高，传感器能够检测到的信号变化越细微。
精度
精度是指传感器测量结果的准确性。高精度的传感器能够提供更接近真实值的测量结果。

MEMS微传感器的工作原理(1)

焊盘 P型扩散压阻
金属导体 N型外延层
P型衬底
腐蚀腔
压阻式微压力传感器结构
玻璃衬底
压敏电阻
环境应力
径向应力
参考压力外加压力
氮化硅多晶硅
压阻式绝对压力传感器
电容式
这种类型的微压力传感器以半导体薄膜为敏感元件，通常由上下电极、绝缘层和衬底构成
薄膜
硅硅薄膜上键合点上键合点
绝缘层
电极玻璃衬底
衬底上键合点
东京大学接触电容式压力传感器结构
东京大学接触电容式压力传感器
谐振式
在梁和偏转电极之间施加很小的微伏级的电压信号就可使梁共振，由梁上的压敏电阻提供反馈。施加在下层晶片薄膜上的压力增加了共振梁的张力，就象调紧吉他弦一样，这就增加了它的共振频率。
微型麦克风
微麦克风测量的是声压，要求灵敏度高，频带宽。
•输出阻抗：＜150Ω
•激励电压：18-30VDC 典型值：24VDC
•温度范围：-40～+120℃
•壳绝缘电阻：＞Ω
•安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺纹)
•几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm
微传感器的分类
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）
一种特殊的材料，当有光照时其自身电阻会发生变化。
图中的光电二极管由p型和n型掺杂的半导体层组成
图中的光电子管由p－、n－和p－掺杂层组成。入射的光子能量可以被转换成从这些器件中输出的电流。
微传感器的实例(3)——热学
热电偶传感器
热电偶是测量热的最常用的传感器工作原理：依靠两个不同金属线的末端产生

MEMS压力传感器原理与应用简介 ppt课件

ppt课件
9
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 的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装IC的硅压阻式压力传感器实物照片。
硅电容式压力传感器利用MEMS技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小（图 5）。电容式压力传感器实物如图6。
图5 电容式压力传感器结构
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图6 电容式压力传感器实物
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4 MEMS压力传感器的应用
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国内外主要供应商
1) 2) 3) 4) 5)

意法半导体（STM）博世（bosch）飞思卡尔（freescale）敏芯微电子技术有限公司北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司
ppt课件
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结束语

当前 ,MEMS技术正处于高速发展前夕 , 21世纪会展现一个大发展的局面 ,它的广泛应用和效益将强有力地显示出来 ,它对信息、航空、航天、自动控制、医学、生物学、力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的 ,人类的生产和生活方式也会因此而发生重大改变
17ppt课件18ppt课件19ppt课件国内外主要供应商?1意法半导体stm?2博世bosch?3飞思卡尔freescale?4敏芯微电子技术有限公司?5北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司20ppt课件结束语?当前mems技术正处于高速发展前夕21世纪会展现一个大发展的局面它的广泛应用和效益将强有力地显示出来它对信息航空航天自动控制医学生物学力学热学光学近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的人类的生产和生活方式也会因此而发生重大改变21ppt课件22p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械电子传感器。

MEMS传感器的敏感原理总结(共63张)

第26页，共63页。
MEMS传感器的敏感(mǐngǎn)原理
• 压阻效应 • 压电效应 • 电容效应 • 谐振效应 • 隧穿效应 • 热效应 • 光学效应 • 其它
第27页，共63页。
谐振(xiézhèn)式(Resonator)
• 运动方程 mx cx kx F
• 无阻尼频率
f 1 k
2 m
• 矩形截面的两端固支梁在轴力N左右下的弯曲频率为
• 其中wω、n(hΝ和) l分ω别n( 0为)梁1的 γ宽n Ε度Νw、h (厚1度ν2和)(长hl 度) ，E和分别为材
料的弹性模量和泊松比，n表示频率的阶数，无轴力频率，其值为
ν表示第n阶
ω(0) n
• 系数
和ωn(
0见) 下表1n22
h l2
精度：是与评价测试装置产生的测量
误差大小有关的指标
灵敏阀：又称为死区，用来衡量测量起始点不灵敏的程度。
分辨力：指能引起输出量发生变化时输入量的最小变化
量，表明测试装置分辨输入量微小变化的能力。
第55页，共63页。
静态响应特性
测量范围：是指测试装置能正常(zhèngcháng) 测量最小输入量和最大输入量之间的范围。
• 电阻
为电阻率
取
，得
第3页，共63页。
压阻效应(xiàoyìng)(piezoresistivity)
• 金属应变片(电阻率不随应变而变化)
应变灵敏度系数1～2（即
）
• 对晶体材料，电阻率与应变有关，定义
压阻系数：
表示单位应力电阻率的相对变化，则应变灵敏度系数为
第4页，共63页。
金属的压阻效应 (jīnshǔ)
• 有阻尼频率其中 c