新型传感器原理及应用.ppt

1993年，美国ADI公司采用该技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着微机电系统技术商品化的开端。 此后，众多发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进MEMS技术发展。MEMS技术发展迅速，特别是深槽刻蚀技术出现后，围绕该技术发展了多种新型加工工艺。一次性血压计是最早的MEMS产品，目前国际上每年都有几千万只的用量。 近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件(DMD)已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。 美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。 压阻式压力传感器的工作原理是基于压阻效应。用扩散法将压敏电阻制作到弹性膜片里，也可以沉积在膜片表面上。这些电阻通常接成电桥电路以便获得最大输出信号及进行温度补偿等。 优点: 制造工艺简单、线性度高、可直接输出电压信号。 主要问题: 对温度敏感，灵敏度较低，不适合超低压差的精确测量。 微型加速度计通常由弹性元件(如弹性梁)将惯性质量块悬接在参考支架上。加速度引起参考支架与惯性质量块间发生相对位移，通过压敏电阻或可变电容器进行应变或位移测量，从而得到加速度值。 新型传感器 1.* 微 传 感 器 MEMS微机电系统与微型传感器 微型压力传感器 微型加速度计 微 传 感 器 一．MEMS微机电系统与微型传感器 微机电系统(Micro-Electro-Mechanical?Systems，简称为MEMS)，专指外形轮廓尺寸在毫米级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米级，可对声、光、热、磁、压力、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。 是融合了硅微加工、光刻铸造成型和精密机械加工等多种微加工技术制作的微传感器(Microsensors)、微执行器(Microactuators)和微系统(Microsystems)。 通过将微型的电机、电路、传感器、执行器等装置和器件集成在半导体芯片上形成的微型机电系统，不仅能搜集、处理和发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部指令采取行动。 它是在微电子技术基础上发展起来的，但又区别于微电子技术(IC)。在IC中，有一个基本单元，即晶体管。利用这个基本单元的组合并通过合适的连接，就可以形成功能齐全的IC产品；在MEMS中，不存在通用的MEMS单元，而且MEMS器件不仅工作在电能范畴，还工作在机械能范畴或其他能量范畴如磁、热等。 微 传 感 器 1. MEMS的特点 微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多个传感器或执行器集成于一体，形成微传感器或微执行器阵列甚至可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。微传感器或微执行器和IC集成在一起可以制造出高可靠性和高稳定性的智能化MEMS。 多学科交叉：MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学、和生物等多种学科。同时MEMS也为上述学科的进一步研究和发展提供了有力的工具。 微 传 感 器 2. MEMS技术发展概况 1959年12月美国物理学家，诺贝尔奖得主Richard Feynman这样来描述MEMS技术：“如果有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢？”三年以后，硅微力传感器问世。 1987年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径仅60μm -120μm的静电电机。 1987年，美国UCBerkeley发明的微马达，在国际学术界引起轰动。 微 传 感 器 目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统(ABS)、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序(ESP)系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。 微 传 感 器 我国20世纪80年代末开始MEMS的研究，到90年代末已有40多个单位的50多个研究小组在新原理器件、通用微器件、新工艺和测试技术，以及初步应用等方面取得显著进展，形成了微型惯性器件和微型惯性测量组合、微型传感器和执行器、微流量器件和系统、生物传感器、微机器