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第四部分 微机械传感器 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： 按检测对象所属分类的不同，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器，其检测原理分别基于各种物理现象、化学反应和生物效应。 微型物理量传感器 物理量传感器种类最多，它包括力学量传感器(如压力传感器、力传感器、加速度传感器、角速度传感器、流量传感器)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。 微型力学传感器 1、微型压力传感器 a)硅压阻式压力传感器： 在膜片上扩散电阻，并连成惠斯顿电桥。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。 硅压阻式传感器的主要缺点是压阻效应随温度的变化明显，应用时必须做温度补偿。 硅压阻式压力传感器实例 b)硅电容式压力传感器 淀积在膜片表面上的金属层形成电容器的活动电极，另一电极淀积在衬底上，二者构成平行板式电容器。当膜片感受压力作用弯曲时，电容器的极板间距改变，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。 硅电容式压力传感器的灵敏度高，输出随温度变化小。 硅电容式压力微传感器 具有硬中心的硅电容压力传感器 c)硅谐振式压力传感器 硅谐振式压力传感器是基于膜片或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。膜片由电容或静电激励而发生谐振。当膜片受气体压力作用时，其刚度改变，引起频率增加，则频率的增加量对应被测压力。 特点：对温度不敏感，并且具有很好的线性输入／输出关系。缺点是制造成本较高。 硅谐振式压力微传感器特点及组成 特点：硅压阻式和硅电容式传感器为开环模式工作，硅谐振式则不同，为闭环模式工作。 组成：R为谐振子，工作时振动在谐振状态，其谐振频率（固有频率）受被测量M的调制；E为激励谐振子发生谐振的激励器，激励方法有静电激励、压电激励、电阻热激励及电磁激励等；D为振动信号检测器，检测方法有电阻检测、电容检测、压电 检测及电磁检测等。A为 放大调频电路，用于调节 信号的幅值和相位，并将 信号正反馈给激励器，维 持谐振子在满量程内等幅 振动，同时将放大信号传 到检测输出装置，显示出 与被测量相对应的电信号。 谐振式传感器的工作原理 利用被测质量M调制谐振子的谐振频率，谐振子的谐振动由激励器驱动，检测器获得信号输出。谐振子的谐振动由放大调频电路维持，而放大调频电路又由被测量M所控制，它们一起构成了一个正反馈闭环自激振动系统。 系统实现闭环自激振动必须满足的条件： 相位条件：环路各环节的相位移之和等于2 的整数倍。 幅值条件：环路各环节的传递函数之积应等于或大于1。 静电激励、电阻检测 硅谐振梁式压力微传感器 带振动梁信号转换的压力传感器 静电激励、电容检测 硅谐振梁式压力微传感器 硅谐振式压力微传感器的性能 1、直接输出频率量，无需A/D转换，可方便的与数字系统挂接，组成高精度的测控系统。 2、为闭环工作，其性能主要取决于谐振子的机械性质，受电路参数变化（如电漂移、噪声等）的影响很小。 3、测量精度、稳定性及测量分辨率均优于硅压阻和硅电容式压力传感器1个数量级。 4、缺点－－结构比较复杂，加工难度较大。 三类微传感器主要性能比较 硅加速度传感器 目前已经研制出基于不同敏感原理和结构的硅加速度微传感器。其中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、自动刹车等系统中具有广泛应用前景。 硅压阻式微加速度传感器 工作原理及结构特点： 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