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1、 第七章 其他敏感与执行原理及光其他敏感与执行原理及光MEMSMEMS介绍介绍n其它敏感原理介绍其它敏感原理介绍n -隧道电流敏感隧道电流敏感n -谐振式敏感谐振式敏感n -热对流式敏感热对流式敏感n -光敏感光敏感n其它微传感器的实例其它微传感器的实例n其它微执行器的实例其它微执行器的实例n光光MEMS本章主要内容本章主要内容隧道电流敏感原理隧道电流敏感原理 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 为直流驱动电压，单位为V；为隧道电流，

2、单 位为A；为常数，等于 ；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。bVtI211eVnm25.10dtIdtIdVbexp 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

3、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。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 dxxbhYdxdxxdYFdxdxxYdEILLLn0210021221221.)(21)(2)(2y(x,t)满足0),(),(22442ttxyxtxy其中/EI是梁单位长度的质量 针对振动在一阶模态的简支梁 梁在静力平衡时的初始挠度和速度：)0(0),()0(sin)()0,(0LxttxyLxLxxxfxytt0时简支梁的边界条件为0),(0),0(tLyty0),(0),(0LxxttxyttxynnLtnLxnnnLLtLxLtxy122222

4、2224cos2sin1416cossin2),(于是得到方程的解y（x,t）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。TJcPQPmmQmaVVVo压敏电阻m压电材料aCfVoma电极解调 Voma硅尖加热电阻热敏电阻VVVoa气腔n光学敏感光学敏感n光学敏感可以将角度或者位移的变化转换为光强度或者相位的改变。光学敏感为MEMS传感器的工作提供了许多优点。na.对于利用微机械结构运动的光拾取，省去了用电偏置与电敏感的导线。由于封装复杂性的降低带来器件成本的节省在一些特定场合下显得十

5、分突出；nb.光学敏感在许多场合中可以提供特别高的灵敏度和灵活性。光学谐振器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n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

6、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其它微传感器的实例其它微传感器的实例(1)力学力学微加速度传感器微加速度传感器微陀螺仪微陀螺仪微加速度传感器微加速度传感器n主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击n压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。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

7、感电容2)2)梳状电容式微加速度计梳状电容式微加速度计 挠性梁定齿基底位移位移定齿定齿立柱敏感质量C1C2 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。隧道电流式隧道电流式 隧道式微加速度计，通常有悬臂梁式、多梁支撑式和扭摆轴式等几种结构 悬臂梁隧道针尖悬臂梁式隧道效应微加速度计检测质量电极扭转铰链检测质量可变电极挤压膜阻尼孔氮化层悬臂梁隧道针尖Stanford大学的双悬臂梁式隧道效应加速度计 微陀螺仪微陀螺仪n利用振动质量块被基座(仪表壳体)

8、带动旋转时的哥氏效应来敏感角速度，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高、可数字化及可重复大批量生产等优点。线驱动式微陀螺仪线驱动式微陀螺仪 角驱动式微陀螺仪角驱动式微陀螺仪 线振动(音叉式)微陀螺仪 角振动式微陀螺仪 其它微传感器的实例其它微传感器的实例(2)光学光学光学传感器的原理光学传感器的原理 电子吸收光子，从而向高能级跃迁。电子吸收光子，从而向高能级跃迁。能级跃迁的类型：1）物体从价带向导带跃迁光伏生效应 2）物体从导带向价带跃迁光电效应 3）向稳定能级的跃迁双折射，克耳与光电效应 4）跃迁到中间能级态和返回到基态 5）其它类似激子的结构（电子和空穴形成了具有一系 列显著能级、类似氢的

9、分子）。n当入射光光子的能量大于被照射材料的逸出功时，就有光电子发射，称为外光电效应外光电效应。l 利用这种效应制成的传感器有真空光电管、光电倍增管等。n当物体受光照射后，其内部原子释放出电子，但这些电子并不逸出物体表面仍留在内部，使物体的电阻率发生变化或产生光电动势的现象称为内内光电导效应光电导效应。前者称为光电导效应光电导效应，后者称为伏伏打效应打效应。l利用半导体光电导效应光电导效应可制成光敏电阻光敏电阻 其基本原理是辐射时半导体材料中的电荷载流子（包括电子和空穴）的增殖使其电阻率发生变化。u光中的光子和固体中吸收光的电子的相互作用原理在量子物理学中已经比较完善。u微光学传感器已经可以测

10、量出光的强度。具有强光电效应的固态材料可用作这种传感材料。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。n微传感器是构成任何生物MEMS产品最基本的组元。在生物医学中，常用的两类传感器是：(1)生物医学传感器 (2)生物传感器 其它微传感器的实例其它微传感器的实例(3)生物医学生物医学 生物医学传感器可以分成用来测量生物学物质的生物医学仪器和用以医学诊断为目的的仪器。它们通常只需要小量的样本，因而可以大大加快分析速度而且几乎没有死区。生物医学传感器生物医学传

11、感器生物医学传感器实例生物医学传感器实例 血样中的葡萄糖和聚乙烯酒精溶液中的氧之间将发生下列的化学反应：葡萄糖O2 葡萄糖酸内酯酶+H2O2 反应中产生的H2O2可以被加在铂电极上的电压电解，产生带正电的氢离子，并被此电极吸引。于是，血样中葡萄糖的量就可以通过测量两个电极间电流的方法得到。生物传感器生物传感器 生物传感器的工作原理基于待检测分析物与生物学方法产生的生物分子的相互作用，这些分子包括某种形式的酶、抗体和其它形式的蛋白。这些生物分子附着在传感元单元上，当它们和被分析物相互作用时可以改变传感器的输出信号。n化学传感器用来检测特定的化合物。n工作原理：很多物质对化学作用都很敏感。比如，很

12、多金属长时间暴露在空气中都有被氧化的危险。金属表面显著的氧化层能改变材料的性能，例如金属的电阻。这些自然现象就是设计和发展微化学传感器所依据的原理。其它微传感器的实例其它微传感器的实例(4)化学化学 材料对特定化学物质的敏感性材料对特定化学物质的敏感性是很多化学传感器的基本原理。有机聚合物和嵌入的金属植入物一起使用。当这些聚合物暴露在某种气体下时，可以使金属的电导发生变化。例如，一种特殊的聚合物苯二甲蓝和铜一起来检测氨和二氧化氮气体。化学电阻传感器化学电阻传感器 某些聚合物可以用作电容的电介质材料。当它们暴露在某种气体中时，可以使材料的介电常数发生变化，从而改变金属电极间的电容。比如用多乙炔P

13、PA来检测如CO,CO2,N2。化学电容传感器化学电容传感器 有一些特殊的材料，比如某种聚合物，当暴露在某种化学物质中的时候，其形状会发生变化（包括湿度的改变）。我们可以通过测量这种材料的尺寸变化来检测这种化学物质。化学机械传感器化学机械传感器 工作原理和化学电阻式传感器类似。有些半导体金属，如SnO2，当吸收了某种气体后可以改变自身的电阻。金属氧化物气体传感器金属氧化物气体传感器微型触觉传感器微型触觉传感器 n触觉传感器其敏感元件直接与固体接触。n荷兰Delft大学研制的三维电容式触觉传感器。其它微传感器的实例（其它微传感器的实例（5）3232个元件的压阻式敏感法向压力的触觉传感器。有1到2

14、 mV.cm2/Kg（10到20 V/kPa)的灵敏度。声波传感器声波传感器 声波传感器的主要应用是测量气体中的化学成分。这些传感器通过将机械能转化成电能来产生声波。声波器件同样也用于在微流体系统中驱动流体。这种传感器的激励能量主要由以下两种机理来提供：压电效应和磁致伸缩效应。然而，对于激励声波，前者应用更为普遍。四种主要的声波传感器类型微型红外传感器微型红外传感器密西根大学研制的红外阵列传感器，敏感元件为375m375m，有32个n-p型多晶硅热电偶组成的热电堆，其灵敏度为30V/W。红外传感器主要由隔热空腔及其上的热电堆、pn结、热敏电阻等感温元件组成。光纤敏感光纤敏感基于光线的敏感方式是

15、利用光纤中光的相位和强度与光纤弯曲度、光纤上的机械应力、温度等有关这一原理。如果一段光纤是直的，光在其中会走过一段特定的光学路径。如果光纤由于机械形变而产生弯曲，那么新的有效光学路径将导致光在光纤末端输出时的相位和强度发生变化。n基于场效应晶体管（基于场效应晶体管（FET)FET)传感的加速度计传感的加速度计晶体管工作原理：以N性衬底为例，当没有施加电压时，源区和漏区之间几乎没有电流；当施加足够大的负电压后，就会形成反形区，该反形区被称为沟道，它帮助电流顺利在源和漏之间流动。n利用FET栅的位移敏感的加速度传感器加速度计的振动质量块是FET的栅，从而栅与沟道之间的距离与施加的加速度有关，距离的

16、变化将使晶体管的阈值电压UT的值发生变化。n射频谐振敏感射频谐振敏感谐振式压力传感器谐振式压力传感器平面螺旋电感覆盖在有低温共烧陶瓷制成的压敏薄膜上。电感的中央接触尺寸被有意放大，使其能与对面的电极表面构成一个可观的电容。如果压力发生变化，薄膜将产生形变位移，相应的电容值将发生变化。同时电感值也会随着薄膜的弯曲而改变。即谐振电路的谐振频率与压力有关。微执行器的致动方式微执行器的致动方式形状记忆合金执行器形状记忆合金执行器n有些材料在受热时，其长度能发生很显著的变化（收缩），将它们总称为形状记忆合金（SMA），其中最著名的是钛镍合金。nSMA效应源于合金马氏体（主要为三角晶系）和奥氏体（高度均匀

17、）晶相之间与温度有关的相变。n现象：受到机械力作用而产生变形的合金，一旦受热就会恢复到它们未变形前的状态。n加热方式：通电流 在预置温度T时弯曲的合金片依附在硅悬臂梁上。室温时梁是直的。当把梁和附于其上的合金片加热到温度T时，合金的“记忆”被唤醒并试图恢复原来的弯曲形状。合金的弯曲迫使悬臂梁一起变形，由此达到致动效果。这种方式的致动被广泛用在微型旋转致动器、微型关节和机器人、以及微弹簧上。n优点：相对的“线性”控制和很高的应力（大于200MPa），如果应变保持在2以下，就可以工作几百万个循环。n缺点：需要特殊的合金和很高的功耗。多晶硅二氧化硅Cr二氧化硅Cr硅硅a)形状记忆合金元件聚酰亚胺间距

18、块聚酰亚胺薄膜流体出入口基座顶盖b)形状记忆合金致动微阀 澳大利亚New South Wales大学和台湾新竹清华大学联合研制的形状记忆合金致动微阀，该阀的阀口尺寸为60m60m，过流能力06ml/min。形状记忆合金致动微阀形状记忆合金致动微阀形状记忆合金微执行器实例形状记忆合金微执行器实例微机械不同致动方式的特点微机械不同致动方式的特点致动方式驱动力 行程响应时间可靠性电磁活塞式小大中等好压电片式小中等快好叠层压电片式很大很小快好气动式大大慢好形状记忆合金式大大慢差静电式小很小很快很好热气动式大一般一般好电磁式小大快好双金属热致动式大 大一般好不同致动方式的优缺点不同致动方式的优缺点优点缺

19、点静电式材料简单需要折中驱动力大小与位移大小执行响应速度快易受吸合效应限制热气动式能得到较大的位移量相对较大的功耗适中的执行响应速度对环境温度变化敏感压电式可以得到快速的响应材料的制备过程复杂可以得到比较大的位移量在低频工作条件下性能下降电磁可以产生较大的角度位移量较为复杂的制造工艺可以使用很强的磁力作为偏置制造高效率的片上螺线管较为困难光光MEMSMEMSn无源无源MEMSMEMS光学器件光学器件n 透镜n 反射镜n有源光有源光MEMSMEMS执行器执行器n 离面小位移执行器n 面内大位移执行器n 离面转动执行器n光学是MEMS技术应用最早且最为活跃的领域之一。典型的应用领域包括数字投影仪（

20、DLP）、全彩色数字显示、光纤光开关、生物光学探测的集成系统、可调光源及传感器等。n 将MEMS应用到光学领域，有其特有的优势。首先光子几乎没有质量，并且施加在微结构上的力很小，硅加工形成的器件只和这些光子有相互作用，所以应用在光学上非常合适。其次，光MEMS的封装相对简单。光MEMS部件可以封装在透光的外壳内，保证不受诸如粒子、气流等环境因素的干扰。n光MEMS在20实际90年代后期经历了大规模的商业化努力，向宽带光纤通信中广为看好的信道开关市场发展。光MEMS在提高当代MEMS执行器的技术发展水平方面起到了重要作用。nMEMS技术应用到光学领域也面临一些挑战。例如，在微机械部件上制备抛光平

21、滑的镜面通常都比较困难，使光学微镜不太理想。光MEMS器件也面临来自固态和光电器件的竞争。无源MEMS光学器件n典型无源器件及其应用包括：n反射镜，显示和光束导引；n衍射光栅，分光计和干涉计；n透镜元件，折射透镜、二元透镜和棱镜；n光纤传输，光纤和片上光波导。透镜n透镜是光学系统里最具特点的元件，传统光学系统里最常用到的透镜是二维或一维曲面的折射透镜。常见透镜反射镜n光学反射镜是另一类重要的光学器件。MEMS中光滑平坦的反射表面通常是由以下的一种方式得到：1）使用单晶半导体晶片的抛光面，其空间均方粗糙度为1.2nm；2）用各向异性湿法刻蚀得到原子尺度上光滑的111硅表面；3）降低反射镜薄板的弯

22、曲度；4）使用多层反射涂层。有源光MEMS执行器n有源光MEMS元件包括反射镜、光栅、光闸等，有着广泛的应用。光MEMS应用要求的运动有两种：旋转运动和平移运动。在所有可能的执行器种类里，小范围运动的执行器是最容易设计的一种。例如，用梳齿驱动执行器可以实现带有光学单元的微机械结构面内小位移。表 小平移运动执行器的原理与设计驱动原理设计细节常见的平移模式静电驱动横向梳状驱动小位移，平面内移动纵向梳状驱动小位移，平面内移动平板电容驱动小位移，离面移动 热驱动双金属层热驱动小位移，面内和离面移动单种材料热膨胀驱动小位移，面内移动压电驱动压电梁执行器小位移，面内移动离面小位移执行器n离面平移微镜可以利用很多执行器原理实现，包括静电和热执行器。最常用的单元是活塞运动膜和刚性板。如图所示。面内大位移执行器n带有平行于衬底平面光轴的光学元件(如反射镜、光闸、透镜）有时候会安放在面内平移台上，如果台面移动很小(小于几微米），就可以用静电梳齿驱动器或双金属热执行器实现。离面转动执行器n旋转扫描微镜可以用来反射光线，并能动态变换光路。这种微镜在工业、民用和军事上都有许多应用。扫描显微镜中最著名的器件是数字光处理器（DLP)。