微型传感器教案.ppt

中原工学院信息商务学院 中原工学院信息商务学院 力学量微型传感器 报告人： 学号： 任课老师 概述 压力微传感器 加速度微传感器 概 述 微传感器定义： 从广义角度来说，微传感器和常规传感器一样是一种能把物理量、化学量或生物量转变成便于利用的电信号的器件。微传感器是微机电系统三大关键要素之一。 微传感器主要特点： 微传感器的敏感机理与常规传感器相同。但其体积小（只是常规传感器的几十分之一乃至1％，其中的敏感元件一般是微米级）；质量轻（从常规的kg级下降至几十g乃至几g）；功耗低（降至mW乃至更低的水平）。采用微机械加工技术制备，敏感元件材料以硅为主。 微传感器分类：按检测对象可分为物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器。 物理量传感器包括：力学量传感器(如压力传感器、加速度传感器)等；光学量传感器(如图像传感器、红外线传感器等)；热学量传感器(如温度传感器)、声学量传感器、磁学量传感器等。 在压力微传感器中，感受压力的弹性元件一般是硅膜，传统的压力传感器大多采用金属膜。 压力微传感器具有广泛的应用范围，例如，汽车中轮胎系统、液压系统、供油系统的压力测量等。 常见的压力微传感器可分为：电阻式、电容式、谐振式和压电式微压力传感器 压力微传感器 原理：当压力作用在膜片上时，膜片产生变形，电阻值变化，电桥失衡，失衡量和被测压力成比例，用微电路检测出这种电阻变化，即可测出压力变化。 优点：被测压力和电阻变化之间有很好的线性关系。 缺点：压敏电阻随温度的变化明显，应用时必须做温度补偿。 电阻式压力微传感器 电阻式压力微传感器 电容式压力微传感器 原理：当膜片感受压力作用弯曲时，电容器的极板间距改变而引起电容变化，其变化量与被测压力相对应，从而得知被测压力。 特点：与硅压阻式压力传感器相比，硅电容式压力传感器的灵敏度高，功耗低。而且输出随温度的变化小，因此具有了好的输出重复性和稳定性，更适合于低压量程测量。 特点：与膜片式硅电容压力传感器相比，具有硬中心的硅电容压力传感器，更有利于极板间敏感电容的变化处处相等。 参考电容：不会随压力而改变，因此可以用来对微传感器的温度特性进行补偿。 电容式压力微传感器 原理：硅谐振式压力传感器是基于梁的谐振频率随压力变化而改变的函数关系，确定被测压力。谐振梁由静电激励而发生谐振。当谐振梁受气体压力作用时，其刚度改变，引起频率增加，则频率的增加量对应被测压力。 谐振式压力微传感器 固定电极 谐振式压力传感器结构图 在谐振梁和固定电极之间施加正弦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。 谐振式压力微传感器 固定电极 谐振式压力传感器结构图 谐振式压力微传感器 激振方式有 : 静电激振、 电磁激振、电热激振、激光激振等 ; 拾振方式有: 电容拾振、电磁拾振、压阻拾振及激光拾振等。 谐振式压力传感器闭环系统示意图 谐振式压力微传感器 特点： 硅压阻式和硅电容式传感器为开环模式工作，而硅谐振式为闭环模式工作，这样受电路参数变化的影响很小。 测量精度、稳定性及测试分辨率均优于压阻式和电容式微传感器1个数量级。压阻式和电容式的精度通常达到0.1%左右，而谐振式通常达到0.01%。 直接输出频率量，无需A/D转换，方便的与数字系统连接。 对温度不敏感，并且具有很好的线性输入／输出关系。 加速度微传感器 研制最早和最多的是利用硅压阻效应、压电效应及电容效应的硅加速度微传感器。而利用谐振技术研制的硅谐振式加速度微传感器是最具发展潜力的新型微加速度传感器，具有较高的分辨率和灵敏度。 高性能的硅加速度传感器在导航、微重力、声及地震测量、汽车工业的安全气囊、自动刹车等系统中广泛应用。 电阻式加速度微传感器 压阻式微加速度传感器原理示意图 工作原理及结构特点： 原理：惯性质量块由悬臂梁支撑，在加速度a惯性场中，由于惯性力的作用，质量块上下运动，使悬臂梁上的压敏电阻阻值发生与加速度a成正比的变化，通过测量电桥输出电压的变化，从而得到加速度。 电阻式加速度微传感器 压阻式微加速度传感器原理示意图 特点：由于悬臂梁的根部应变量最大，所以为提高传感器的灵敏度，应变电阻制作在靠近悬臂梁根部的位置。 这种传感器是应用于测量心脏壁的微型加速度传感器，它的外形尺寸为2mm×3mm×0.6mm，质量