现代传感技术与系统课件第四章.ppt

4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*一项美国的专利是用微机加工或激光切除技术在硅或碳化硅结构上形成微通道，通过强制对流或尽可能靠近热源的流动冷却剂实现微通道热量转移。微通道取得了最大的散热表面积并为高密度的半导体装置提供了改进的热传输效率，且不会增加温度接点或减小可靠性。正在进行当中的关于微尺寸通道中气流的研究：MEMS与其周边环境的能量及动量交换，对系统的响应特性起决定作用；关于气体媒介和微装置、微通道间的动量交换的研究：有一定进展，最典型的是关于氮流动的试验。2、微光学装置4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*利用微机加工技术生产的大量微光学装置：光栅、透镜、电气互联、光纤联结、校正装置、隐角反射和波导器等。除硅以外的Ⅲ-Ⅴ半导体材料用于改善光学性能；使用氩、氙离子束和氯作为反应气体的化学辅助离子束蚀刻处理被用于制造激光表面发射器。（3微米直径的激光器可在室温下工作，具有1.5mA以下的电流限制和16%的差分量子效率）力学、光学和电子学在微观尺度上的结合将成为光学微系统中的一个重要领域。4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*一个微机械加工与光学结合的实例：多硅微扫描仪。由一个安装在静电驱动微电机转子上的中空镀镍多边形反射器、一个基于光学和MEMS元件的微光学机械系统在晶片水平上集成而成，如下页图。微扫描仪和可移动光学元件采用非电子镀层技术实现设计和装配。镍的厚度是2×10-8米，宽度是10-5米。已生产的扫描仪直径从250到1,000微米不等。还有2-4微米空间栅格的衍射光栅微扫描仪，亦采用类似过程制造。微光学机械系统装置的关键是在通用基座上构筑不同光学和机械结构的能力。4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*利用光来提供机械能量的执行器是又一种应用方案。与非光学方案相比，光学执行器具有更高运行速度、更低功耗和更小热膨胀的潜在优点。光电流作用于一个松弛的硅悬臂，对抗外加静电电压，从而拉紧了杠杆。3、微夹具4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*3、微夹具目前的微夹具多采用多原硅表面微加工技术制作，由电刷驱动器激励。电刷驱动器为几种微执行器以及用于诸多传感器的振荡结构提供动力。两支可移动的夹臂通过电刷控制，如上图所示。其驱动臂长400μm，伸展臂长100μm。通过独立的开启与闭合驱动，施加30V以下的电压于电刷驱动时，夹具产生5μm的移动。4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*01用一个悬臂樑接触并扫描穿过样本表面可测取表面形状，这就是原子显微镜的原理。该仪器要求有尖头的、小弹性常数和高谐振频率的机械结构。而这类悬臂产品具有很好的可再生性特点，压电特性、电容变化和压阻感应技术都可用于感知探针顶尖的偏移。下页图分别为其结构与图像。02一个实际探针结构的例子：探针总长175μm，尖端部分75μm，探针宽度90μm，该结构计算的弹性常量4N/m。03原子显微镜探针可用来测量深度为270?、以6.5μm为间隔的二氧化硅栅格。该类装置在剖面和集成电路的检验探测中是非常有用的。4、微探针4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*5、微镜面4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*数字型微镜面作为显示装置，如铰链悬挂的铝制镜面，这种适应性铰置/置位总线提供连接，总线将所有排图所示。微镜面元是两个薄的柱支撑链可在任意方向旋转10度。支柱为偏列镜面连接到一个键合板。镜片被装配到通用的CMOSSRAM单元上，这些单元为每个镜面提供了寻址电路。镜面的响应时间大约为10ms并可通过脉宽调制在黑白显示器上提供灰度输出。现已有768乘576像素的单片集成电路阵列产品问世。4.1微机电系统结构与元器件6、加热元件多点热转换器是标准CMOS处理方式和体型微机械加工技术结合的产物。经CMOS处理后，一个空腔经体型微加工蚀刻，产生悬挂式多点热转换器悬臂结构。聚合硅阻性加热元和铝-聚合硅热偶接点在玻璃中形成小球状。玻璃保护了那些元件免受蚀刻并提供了机械支撑。多点热转换器在低成本、高精度RF和微波功率电路中很有应用潜能，下页图为其放大后的图像。4.1微机电系统结构与元器件第四章智能传感器的外围技术*智能传感器的外围技术智能传感器的外围技术智能传感器的外围技术智能传感器的外围技术第四章智能传感器的外围技术第四章智能传感器的外