1现代传感器技术基础与应用-8.ppt

(5)谐振式敏感原理 当加速度计连接的外壳的振动频率接近器件的固有频率时，共振就会发生；也就是β＝ω/ωn→1.0。检测质量在这个频率下振幅达到峰值。对微加速度计而言，器件在这一频率提供了最灵敏的输出。这种振动测量器件在共振频率处的峰值灵敏度的优势已经在微传感器设计中被利用。 Howe[1987]发展了一个分析承受纵向力的振动梁在模态1时的固有频率的理论 y(x,t)满足 其中 是梁单位长度的质量 (6)热对流式敏感原理 向加热元件施加一定的热功率，加热元件周围形成温度场，流体流动使温度场发生变化，分别位于上下游的检测元件之间就会产生温差。 被测流体的质流量 与加热件上下游端的温度差?T之间的关系为： P:加热功率，J：热功当量 cp：被测流体的定压比热 传感器 类型 测量 范围 精度 频响 线性 度 信号处理电路 结构 工艺 技术成 熟性 压阻式 大 中 高 较好 简单电桥电路 简单 好 电容式 小 高 中 较好 高灵敏度的开关 电容或电桥电路 复杂 差 谐振式 小 高 中 较好 宽频带闭环 谐振回路 复杂 差 压电式 大 低 高 较好 电荷放大器 简单 好 隧道式 小 高 高 较差 高灵敏度电流 检测电路 复杂 差 热对流 式 大 中 低 一般 热敏电阻电桥 简单 差 各种敏感原理特点比较 各种敏感原理的优缺点 优点 缺点 静电敏感 材料简单 需要较大的器件尺寸以得到足够大的电容 较低的工作电流与工作电压 信号读出电路复杂 响应速度快 对微粒与湿度敏感 热敏感 材料简单 相对较大的功耗 省去了可动部件 相对静电敏感响应速度较慢 压阻敏感 高灵敏度 需要硅掺杂工艺以获取高性能的压敏电阻 材料简单（金属应变计） 对环境温度变化敏感 压电敏感 电信号自产生能力，无需外加电源 材料生长和制造工艺流程复杂，不能在高温条件下工作 微传感器的实例(1)——力学 微加速度传感器 微陀螺仪 微压力传感器 微麦克风 微加速度传感器 主要用于测量物体运动过程中的加速度：过载、振动和冲击 压阻式、电容式、压电式、隧道电流式微加速度计。 压阻式 挠度 应力 一阶固有频率 阻尼比 压敏电阻 空隙 玻璃盖板 质量块 导电胶 引线 微加速度计的剖面结构示意图 单悬臂梁微加速度计 双悬臂梁微加速度计 压阻式微加速度计样品 SEM照片 电容式 悬浮支架 加速度 固定支架 导电电极 衬底 质量块 )垂直敏感电容微加速度计结构 固定支点 加速度 悬浮支架 质量块 感应叉指 b) 水平敏感电容微加速度计结构 电容式加速度计的不同敏感电容 1) 平行板电容式微加速度计 “三明治”结构电容式微加速度计结构 硅 玻璃 玻璃 硅 硅 平行板结构电容式微加速度计虽然具有较高的灵敏度，但是其制作需要腐蚀、组装、键合等多种工艺，过程复杂，无法与硅平面工艺兼容，难以实现批量化、低成本生产。 2) 梳状电容式微加速度计 挠性梁 定齿 基底 位移 定齿 立柱 敏感质量 C1 C2 第八章 微传感器 微传感器的概念 微传感器的分类 基本敏感原理介绍 微传感器的实例 微传感器的应用 本章主要内容 微传感器的概念 微传感器：基于MEMS工艺的，能把被测物理量转换为电信号输出的器件，通常由敏感元件和传输元件组成。 MEMS微传感器原理框图 微传感器是今天最广泛使用的MEMS器件，通常使用集成电路工业中发展起来的手段和技术来制造，比如微金属版印制技术、刻蚀技术等，也采用专门为微传感器制造开发的新技术。 微传感器的概念 微传感器的概念 微传感器的技术指标： 量程：测量范围上限值和下限值的代数差。 灵敏度：传感器的在稳态下输出变化对输入变化的比值 线性度：传感器输出与输入之间的线性程度。 分辨率：指在规定测量范围内可能检测出的被测量的最 小变化量。 零轴稳定性 重复性：传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试 时所得特性曲线不一致程度。 频响范围：在规定误差条件下，传感器可以正常工作 的频率区间。 微传感器的概念 对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即 。非线性传感器的灵敏度为一变量。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出--输入特性为直线。 灵敏度 线性度 传感器的线性度是指传感器输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出—输入特性是线性的，它具有以下优点： （1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算； （2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点就可以确定其余各点。 微