第9章几种新型传感器要点分析.ppt

微机电系统（MEMS）是在一个硅基板上集成了机械零件和电子元器件， 可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行检测， 并且具有信号处理器和执行器功能的 微机械加工型智能传感器。 组成如图9-36所示，外形毫米量级，机械零件和电子元器件微米／纳米量级。 图9-36 三位一体的微机电系统 9.7.1 微机电系统（MEMS）的特点 微机电系统的制作主要基于两大技术，即集成电路（IC）技术和微机械加工技术。 其中集成电路技术主要用于制造电子部分，即信号处理和控制系统部分，与传统的IC生产过程基本相同； 微机械加工技术用于制造机械部分，将机械部分直接蚀刻到一片晶圆（wafer 单晶硅圆片）中， 或者增加新的结构层来制作MEMS产品。 微机电系统具有以下特点： 1）体积小，重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短，可以嵌入大尺寸系统中使用。 2）以硅为主要材料，硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨， 可利用大规模集成电路生产中的成熟技术、工艺进行生产； 3）用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个MEMS，再切割封装成产品，批量生产可大大降低成本； 4）可把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微机电系统。 微机电系统中的传感器有 微热传感器、 微辐射传感器、 微力学量传感器、 微磁传感器、 微生物（化学）传感器等种类。 9.7.2 声表面波叉指换能器 单晶硅、多晶硅和铌酸锂等，具有压电效应、逆压电效应和表面波传播的物理特性。 如图9-37（a）所示。 当左边的叉指换能器上施加交变的电信号时，由于逆压电效应，基体材料将产生弹性变形, 从而产生声波振动。 向基片内部传送的体波会很快衰减, 而表面波则向左、右两个方向传播。 向左传送的声表面波被涂于基片左端的吸声材料吸收。 向右传送的声表面波传送到右边的叉指换能器，由于正压电效应，在叉指换能器上产生交变的电信号，并由负载RL输出。 图9-37 叉指换能器声表面波滤波器 （a）声表面波滤波器 （b）叉指换能器结构 叉指换能器结构如图9-37（b）所示。 叉指对数、 指条宽度a、 指条间隔b、 指条有效长度B和叉指对之间的距离M等。 叉指换能器有自己的弹性波的谐振频率，称为同步频率f0。同步频率f0的倒数为弹性波长，即声表面波波长。 其等于两个相邻叉指对之间的距离M的两倍。 声表面波的速度v取决于材料，一般为3490m/s（铌酸锂的值）， 对于石英和铌酸锂晶体衬底，叉指换能器通常采用的同步频率为10MHz～几GHz， 若为1GHz，则声表面波的波长为3490／109＝3.5μm。 而1GHz的交流电信号或电磁波的波长为c/109，＝0.3m，c＝3×108m/s，与光速相同。 这样，在压电材料衬底上外加电磁信号转换成声表面波时，波长减小了大约105倍。 这使器件的物理尺寸能和IC工艺兼容， 用作传感器，使传感器的微型化成为可能。 9.7.3 叉指换能器振荡器式微传感器 图9-38所示为利用声表面波叉指换能器和环路放大器做成的叉指换能器式微温度传感器。 叉指换能器和声表面波传播通道形成了选频和反馈网络，与同相放大器组成了振荡器， 振荡频率等于相邻叉指对之间的距离M的两倍的倒数。 图9-38 叉指换能器微温度传感器 用频率计可测振荡频率。 若环境温度改变，则M值会随之改变，振荡信号频率就会改变。 用频率计测得频率的变化Δf，由计算机计算可获得温度的变化ΔT。 ΔT＝kΔf／f0 9.8 实训 9.8.1 参观、使用和体会新型传感器功能 1. 走访医院化验室，了解生物传感器使用。 2. 坐火车时，注意感受火车交会时的汽笛声多普勒效应。 3. 使用指纹锁和笔记本电脑指纹识别开机功能，体会指纹传感器性能和应用。 4. 使用手机和平板电脑的触摸屏功能，使用银行ATM机的触摸屏功能，使用手写屏手机输入和发送短信，感觉三者性能差别。 9.8.2 敲击报警器电路装配与调试 如