第六讲微传感器.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第六讲,微传感器,传感器微型化是当今传感器技术的主要发展方向之一，也是微机电系统（,MEMS,）技术发展的必然结果。,微传感器是目前最为成功、最具有实用性的微机电系统装置。,微传感器敏感元件尺寸一般在,0.1100,微米之间。,微传感器在理论基础、结构工艺、设计方法等方面，都有许多自身的特殊现象和规律。,微传感器概述,微传感器概述,微传感器包括三个层面的含义：,单一微传感器,。显著特点是尺寸小,(,从微米级到毫米级、有的甚至达到纳米级,),，主要采用精密加工、微电子技术以及,MEMS,技术，使尺寸大大减小。,集成微传感器,。,将微小的敏感元件、信号处理器、数据处理装置封装在一块芯片上，形成集成的传感器。,微传感器系统,。,包括微传感器、微执行器，可以独立工作。此外，还可以由多个微传感器组成传感器,网络,或者通过其他网络实现异地联网。,CCD,光敏元显微照片,例如：瑞士,Sensirion,公司的,SHT11/15,型高精度、自校准、多功能式智能传感器。能同时测量,相对湿度,、,温度,和,露点,等参数；兼有,数字湿度计、温度计,和,露点计,这,3,种仪表的功能；可广泛用于工农业生产、环境监测、医疗仪器、通风及空调设备等领域。,SHT11/15,型智能传感器的外形尺寸仅为,7.62mm,（长）,5.08mm,（宽）,2.5mm,（高），质量只有,0.1g,，其体积与一个大火柴头相近。,MPXY8300,智能电容压力传感器是飞思卡尔公司,07,年推出的业内第一款采用,MEMS,技术制作面向超低功耗和精确感应的胎压监控系统（,TPMS,）的电容传感器。芯片实物如图所示，在,20,针脚的,SOIC,封装内集成有电容压力传感器、电容,X,轴、,Z,轴加速度传感器，温度传感器、,512bRAM,、,16KB,闪存的,8,位微控制器（,MCU,）和,RF,发射器等电路。,MPXY8300,的超低功耗可以使一节锂电池使用,10,年,!,无线高清摄像胶丸式内窥镜电路主要包括以下几个部分：,1.,图像采集、处理与控制部分,这部分包括带数字图像输出的,CMOS,图像传感器、图像压缩模块、,MEMS,微电机、发白光与具有两种不同红外波长的,LED,光源等。,2.,无线传输部分,胶丸式内窥镜无线传输部分包括信道编码、无线收发器、射频功放和天线等。,3.,能量供给部分,包括电池和能源管理电路,因为体内部分的能源供给是保证实现全消化道检查的必要条件,所以低功耗设计可以延长电池寿命。,4.,无线接收与数据传输部分,体外的便携式无线接收和数据传输装置的功能主要是把天线接收阵列接收的内窥图像数据分成两路，一路送给胶囊定位模块获得胶囊的定位信息，另一路送入相连接的无线接收器，然后把定位信息和图像一起存入便携式存储体上或转发给计算机控制与处理装置。,5.,计算机控制与处理部分,计算机控制与处理装置主要包括无线发送卡、计算机、高清晰度监视器以及相关的处理软件。,微传感器的优点,体积小，重量轻。微传感器的敏感元件尺寸大多在微米级，封装后的尺寸大多为毫米量级甚至更小；重量一般在几克到几十克之间。,功耗低。特别适合电池供电的便携式仪器。,性能好。温度稳定性提高、工作频带加宽。,易于批量生产，成本低。微传感器的敏感元件一般利用硅微加工工艺制造，适合大批量生产，从而降低了单件成本。,便于集成化和多功能化。,微传感器的优点,微传感器的集成化一般有三种情况：,将微传感器与后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路等集成在一起，实现一体化；,将同一类微传感器集成于同一芯片上，构成阵列式微传感器；,将几个微传感器集成在一起，构成一种新的微传感器。,传感器的多功能化是与集成化对应的一个概念，指微传感器能感知与转换两种以上不同的物理或化学参量。,提高传感器的智能化水平。,智能传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集技术。与一般传感器相比，智能传感器具有自补偿能力、自校准功能、自诊断功能、寻址处理能力、双向通信功能、信息存储、记忆和数字量输出功能。,MEMS,技术在传感器方面的应用，大大提高了传感器的智能化水平。利用,MEMS,技术，可以将信号调节电路、信号处理电路、微处理器、接口电路等与传感器封装成一体，组成微传感器系统。,微传感器的优点,微传感器涉及微机械学、微电子学、微流体力学、微热学、微摩擦学、微纳米生物学等多种理论方面的研究。,微传感器涉及的基础技术包括微机电系统设计技术、,材料技术,、,微加工技术,、微测量技术、集成与控制技术等。,微传感器之材料技术,微机电系统所用材料按性质分为三类：,（,1,）结构材料：具有一定机械强度，用于构造微机电系统器件结构基体的材料，如硅晶体；,（,2,）功能材料：指具有特定功能的材料，如压电材料、光敏材料；,（,3,）智能材料：指具有结构功能化和功能多样化的材料组合体，一般具备传感、制动和控制三个基本要素，能够模仿人类或生物的某些特定行为，对外界信息激励具有较强的自适应能力。常见的智能材料有形状记忆材料、电致伸缩材料、电流变与磁流变材料等。,微传感器之材料技术,由于微机电系统中使用最多的材料是硅，所以对硅的微加工是微机电系统中的重要部分。这部分技术很多与集成电路制造中常用的技术是通用的，如氧化、掺杂、光刻、腐蚀、沉积等。但为了满足微机电系统所要求的器件，还有一些独特的加工技术和新的加工方法，如,LIGA,技术、键合技术、准分子激光加工技术等。,微传感器之微加工技术,典型微传感器之微压力传感器,压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的一种物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。,单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为,压阻效应。,对半导体材料,式中，,压阻系数,与,晶向,有关。,压阻式压力传感器,晶向的表示方法,压阻式传感器基片是半导体单晶硅，是各向异性材料。外加力的方向不同，压阻系数变化很大。,晶体的取向是用晶向表示的。,晶向是指晶面的法线方向,，如图。其表示方法有两种：,1,）截距式,2,）法线式,式中,p,为法线长度。,与截距式相比较得：,表示晶向的米勒指数：就是由截距的倒数化成的三个没有公约数的整数，用,h,、,k,、,l,表示。,规定：,表示晶向,表示晶面,表示晶面族,100,010,001,单晶硅的压阻系数,将单晶硅沿三个晶轴方向取出一微单元，其应力分量共,9,个，但剪切应力总是两两相等，即,因此独立的共,6,个，即,记为：,将与,6,个方向应力对应的,6,个电阻率相对变化,d,/,记为,则压阻效应方程矩阵形式为,1,）剪切应力不可能产生正向压阻效应，则矩阵中,2,）正向应力不可能产生剪切压阻效应，故,3,）剪切应力只能在剪切应力作用方向所在平面内产生压阻效应，故,4,）单晶硅是正立方晶体，考虑其对称性，则有：,正向压阻效应应该相等：,横向压阻效应应该相等：,剪切压阻效应应该相等：,故压阻系数矩阵为,其中，,纵向压阻系数,横向压阻系数,剪切压阻系数,求任意晶向的压阻系数,，如图所示。,图中,1,、,2,、,3,为单晶硅晶格的主轴方向，在任意方向,P,形成压敏电阻，电阻沿此方向变化，故该方向为电阻的主方向，也称纵向，与,P,垂直的方向为,Q,方向。如有应力,沿此方向作用在压敏电阻上，称此应力为纵向应力。要求此应力在压敏电阻纵向,P,引起的纵向压阻系数,，则必须将压阻系数矩阵中各压阻系数分量全部投影到,P,方向。,定义新坐标系,1,、,2,、,3,，设,P,方向（即,1,）在标准的立方晶格坐标系中的方向余弦为,l,1,、,m,1,、,n,1,，则投影结果为,若有应力,沿,Q,方向作用在单晶硅上，称此应力为横向应力，此应力在单晶硅,P,向引起的横向压阻系数,为,式中，,l,2,、,m,2,、,n,2,为,Q,方向（即,2,轴）在标准立方晶格坐标系的方向余弦。,如单晶硅在此晶向（也是电流流过方向）同时有纵向和横向应力，则电阻变化率为,上述三个公式是设计压阻式传感器的基本计算公式。室温下单晶硅压阻系数数值见表。,晶体,导电类型,电阻率,/(,cm,),11,12,44,Si,P,7.8,6.6,-1.1,138.1,N,11.7,-102.2,53.4,-13.6,的数值,典型微传感器之微压力传感器,例：计算（,100,）晶面内,011,晶向的纵向压阻系数与横向压阻系数。,解：,ABCD,为晶面（,100,），在该面内,011,晶向为,AC,，相应的横向为,BD,。,晶面（,100,）方向的矢量描述为,i,，晶向,011,的矢量描述为,j,+,k,。由于,因此在（,100,）面内,011,晶向的横向为,则,011,晶向的方向余弦为：,晶向的方向余弦为,P,型硅,N,型硅,典型压阻式压力传感器结构示意图如下。敏感元件圆形平膜片采用单晶硅制作（将硅片腐蚀成厚,1025,微米的膜），利用扩散法或淀积法在硅膜片上制造所期望的压敏电阻。,硅膜周边用硅环固定，下部是与被测系统连接的高压腔，上部为低压腔，通常与大气相通。,典型微传感器之微压力传感器,典型微传感器之微压力传感器,硅杯型压力传感器的关键制作工艺：,（,a,）在单晶硅晶圆上涂光刻胶，掩膜制作出压敏电阻图形并光刻显影，然后以光刻胶为掩膜，扩散硼离子形成电阻，然后除掉所有光刻胶,（,b,）将整个晶圆氧化，在表面得到很薄的氧化层，然后离子注入激活并淀积,Si,3,N,4,，取代氧化层，以起到更好的钝化作用。再光刻得到接触孔的窗口，这是得到铝与扩散电阻实现欧姆接触的过孔。,（,c,）在晶圆正面溅射淀积一薄层铝，光刻出导线和焊盘，此时完成了铝与压敏电阻的欧姆接触。,典型微传感器之微压力传感器,（,d,）保护好正面，刻蚀背面，得到特定厚度的应变膜。,（,e,）将制作好的芯片与硼硅玻璃在高真空下采用阳极键合技术键合在一起，形成空腔。,最后划片，将晶圆分割成独立的芯片。,将圆形硅膜片上各点的应力分解成径向应力,r,与切向应力,t,，其计算公式分别为,应力分布如图。,式中,典型微传感器之微压力传感器,晶向,的硅膜片传感器元件如图。分别沿相互垂直的 和,二晶向，利用扩硼的方法扩散出四个,P,型电阻，构成电桥的两对桥臂电阻，位于圆膜片的边缘处，则 晶向的两个径向电阻与,晶向的两个切向电阻值的变化率分别为,在 晶向，,典型微传感器之微压力传感器,在,晶向,则,可见，电阻变化率大小相等，符号相反。如图。,典型微传感器之微压力传感器,晶向 硅膜片传感元件如图。沿,晶向，在,0.635a,半径之内与之外扩散两个电阻，,晶向的压阻系数为,则内外电阻变化率大小相同，但符号相反，内正外负。电阻率大小为,典型微传感器之微压力传感器,压阻式压力传感器在设计中为使输出线性度较好，扩散电阻所受应变不应过大，应使硅膜片上最大应变不超过,400500,微应变。圆形膜片上各点的应变考虑横向效应时可用下式计算,单晶硅的弹性模量,E,与晶向有关。,典型微传感器之微压力传感器,如图。可见，膜片边缘处径向应变最大。所以设计中膜片边缘径向应变不应超过,400500,微应变。由此可得圆膜片半径与厚度之比的最大值为,典型微传感器之微压力传感器,通常选定,a=1.810mm,，,h=50100,m,。,利用集成电路工艺制造的压阻式压力传感器突出的优点是尺寸小，固有频率很高，因而可用于测量频率很高的气体或液体的脉动压力。,固有频率计算式为：,式中，,E,为弹性模量；,为硅片密度（,kg/m,3,）。,由于硅的弹性模量与钢几乎相等，但硅的密度仅为钢的,1/41/3,，所以硅膜片的固有频率比钢高近,2,倍。,由,BDRIVE,端给传感器,BP,提供,0.5mA(,额定值,),的激励电流，传感器输出信号送至,INP,、,INM,端。调节,R,2,可使激励电流达到额定值。通过开关,S,1,、,S,2,、,S,3,闭合,(,高电平,1),或断开,(,低电平,0),设置,A,0,、,A,1,、,A,2,状态组成不同数码以改变,MAX1450,内部可编程放大器增益。,近几年出现的单片集成硅压力传感器是集压力传感单元、信号调理、温度补偿和压力修正电路为一体的高性价比压力传感器，具有精度高、响应速度快、体积小、微功耗、外围电路简单等特点。这类传感器的典型代表是美国,Motorola,公司生产的,MPX,系列单片集成硅压力传感器。,MPX,系列压力传感器的输出电压与被测绝对压力成正比，适配带,A/D,转换器的微控制器构成压力检测系统。如图所示是,MPX,系列集成压力传感器的封装外形。,MPX5100,内部电路原理图,典型应用电路。图中,C1,、,C2,为电源退耦电容，,C3,为输出端消噪电容。,电容式微压力传感器,优点：功耗低、灵敏度高、温度特性好、漂移小。,典型微传感器之微压力传感器,变极距式电容压力传感器受压变形时膜位移量不一致，存在非线性误差，这在检测高压时尤其严重。,图,(b),所示接触式压力微传感器的特点是工作在膜与衬底“接触”的状态。一方面绝缘层的介电常数远高于空气，另一方面由于接触状态下两电极极板间的距离很小，灵敏度比普通膜片式结构高,12,个数量级，且过载能力强。,电容式微压力传感器制作工艺包括硅制作工艺、玻璃电极制作工艺以及硅和玻璃组合制作工艺。下图所示为玻璃衬底制作工艺：,典型微传感器之微压力传感器,典型微传感器之微压力传感器,电容式微压力传感器之硅及硅,-,玻璃组合制作工艺：,压阻式加速度传感器,硅压阻式加速度传感器原理示意如图。由材料力学知识可知悬臂梁根部所受应力为,压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其适用于低频加速度的测量。对于从零赫兹开始的低频振动检测，是普通压电式加速度传感器难以测得的。,典型微传感器之微加速度传感器,电阻,如果选用,晶向作为悬臂梁的单晶硅衬底，沿,、,晶向各扩散两个电阻，两个晶向的两个电阻阻值变化率分别为,一种单悬臂梁式硅加速度传感器结构,传感器由一块硅片（包括质量块和悬臂梁）和两块玻璃键合而成，从而形成质量块的封闭腔。在悬臂梁上通过扩散法集成了电阻。其制作工艺流程为：,典型微传感器之微加速度传感器,单悬臂梁压阻式加速度传感器的制作工艺过程,典型微传感器之微加速度传感器,加速度微传感器的几种悬臂梁,（,a,）图结构缺陷：,y,方向的加速度使质量块绕,x,轴转动，使悬臂梁产生扭转（对其它方向加速度敏感）。（,b,）图结构对,y,方向的运动敏感度比（,a,）图结构低得多，但由于质量块的中心位于悬臂梁平面之下，因此,x,方向的加速度仍然可造成悬臂梁的弯曲，且不能与,z,向加速度造成的弯曲区分。（,c,）,（,f,）多梁结构中，,z,向加速度造成质量块的平移，而,x,或,y,方向的加速度造成质量块的转动，这些效应可以分别被检测出来，离轴灵敏度很低。,压阻式加速度传感器的缺点是对温度敏感，灵敏度较低。,典型微传感器之微加速度传感器,在温度稳定性方面，电容式微加速度传感器比压阻式加速度传感器具有本质上的优势。,图示是一个典型的电容式加速度微传感器结构示意。结构中采用硅片和玻璃键合的方法来实现厚而大的质量块以获得高灵敏度。,电容式微加速度传感器,典型微传感器之微加速度传感器,1,加速度测试单元；,2,信号处理电路；,3,衬底；,4,底层多晶硅（下电极）；,5,多晶硅悬臂梁；,6,顶层多晶硅（上电极）,设电容极板初始间距为,y,0,，初始电容为,C,0,。当传感器受到外部加速度作用时，质量块产生位移,y,。设：,设二阶弹性系统的弹性系数为,k,，则有,ma=k y,，即,则电容总变化量为,这种电容式微加速度传感器最早于,1991,年见诸报道。测量范围为,5g,，分辨率达,0.005g,。目前在汽车防撞气囊中得到应用。,典型微传感器之微加速度传感器,AD,公司生产的,ADXL50,是最典型的电容式加速度微传感器。它采用多晶硅表面加工工艺制作出敏感元件，在芯片上集成有检测电路。这种传感器最早报道于,1991,年，,1994,年实现产品化。,梳状电极结构在有限的空间内提高了电容值，增大了传感器的灵敏度。,静止时,工作时,典型微传感器之微加速度传感器,ADXL50,加速度传感器电容检测原理图,振荡器提供给两个固定极板的脉冲信号相位相反。当没有加速度时，,C,s1,、,C,s2,相等，加到中央动极板上的脉冲信号由于相位相反而相互抵消，输出信号为零。当加速度作用使,C,s1,、,C,s2,存在差值时，加在两个固定极板上的脉冲信号相位不再严格相反，中央极板输出的电压为图示脉冲信号。,（,a,）无加速度 （,b,）有加速度,利用,1MHz,的同步脉冲信号对此输出信号进行解调，当加速度为正方向时，解调器输出电压为正电压，反之为负电压。,通过上述工作过程，就能将梳状电极间电容量的变化转换成相应的直流电压输出。,单片双轴加速度传感器,ADXL202,ADXL202,的封装,ADXL202,采用,QC-14,封装，引脚排列如图所示。,U,DD,和,COM,分别为两个电源端和两个接地端；,U,TP,为测试端，供厂家测试芯片用；,ST,是自检测端，可进行功能自检；,T,端接电阻,RSET,，用于设定输出脉冲的周期；,X,FILT,、,Y,FILT,端分别接,X,通道、,Y,通道的滤波电容,C,X,、,C,Y,。,X,OUT,、,Y,OUT,为传感器,X,轴、,Y,轴的输出端；,NC,为空脚。,在工字梁上分布着,46,个敏感单元。图中的虚线框就表示其中一个敏感单元，内有一对平行板式差动电容器,C,a,、,C,b,。,主要包括六部分：,X,轴传感器；,Y,轴传感器；振荡器；（采用相位差为,180,的两路方波信号，分别加至电容式加速度传感器的两个电容极板上）；相位解调器,1,和相位解调器,2,；两级低通滤波器,(,R,FILT1,和,C,X,、,R,FILT2,和,C,Y,),；脉宽占空比调制器（,DCM,）。,C,S,为电源退偶电容。,R,SET,用来设定输出占空比信号的周期。,DCM,的分辨力可达,14,位。,利用相位解调器不仅能获得加速度信息，还能判断加速度方向。再通过两路低通滤波器分别获得模拟电压,U,0X,和,U,0Y,，直接从,X,FILT,、,Y,FILT,端输出。改变,C,X,、,C,Y,的电容量，即可设置模拟输出的带宽。,U,0X,和,U,0Y,再经过占空比调制器获得两路占空比信号,X,OUT,、,Y,OUT,。设占空比信号的周期为,T,，其高电平持续时间为,T,1,，则占空比,D,=,T,1,/,T,。,X,OUT,和,Y,OUT,信号的占空比可分别用,D,X,、,D,Y,表示。最后利用下式求出被测加速度,a,X,（,Y,）,值：,当某一敏感轴不受重力加速度时，,a,=0g,，此时,D=50%,，输出为方波信号，每增加,1g,的加速度，输出占空比就增加,12.5%,。即加速度仅与占空比有关，而与振荡频率无关。即使振荡频率发生波动，进行相位解调后也会被低通滤波器所滤掉。,占空比信号的周期由下式确定：,式中，,R=125M,，,T,的单位为秒。,利用,P,中的计数器可分别测出,T,1,、,T,值，进而求出沿,X,轴和,Y,轴方向的加速度,X,、,Y,值。,ADXL202,具有下面两种输出信号：,1,）从,X,FILT,端与,Y,FILT,端输出直流信号；,2,）从,X,OUT,端与,Y,OUT,端输出一定占空比的数字信号。,ADXL202,的灵敏度、重力、加速度的检测分辨率优于,510,-3,g,，直流输出灵敏度为,312mV/g,。,低功耗（,0.6 mA,）。,思考题,与传统传感器相比，微传感器具有哪些优势？,微传感器制造中应用的主要微加工技术有哪些？,简述用牺牲层技术加工微悬臂梁的工艺过程。,简述电容式微加速度传感器的工作原理。,