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微型传感器


力学量微型传感器

报告人:
学号: 任课老师

? 概述 ? 压力微传感器
? 加速度微传感器


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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。

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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。

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微传感器分类:按检测对象可分为物理
量传感器、化学量传感器、生物量传感器。

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物理量传感器包括:力学量传感器(如
压力传感器、加速度传感器)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。

压力微传感器
? 在压力微传感器中,感受压力的弹性元件一 般是硅膜,传统的压力传感器大多采用金属膜。 ? 压力微传感器具有广泛的应用范围,例如,汽 车中轮胎系统、液压系统、供油系统的压力测 量等。 ? 常见的压力微传感器可分为:电阻式、电容式、 谐振式和压电式微压力传感器

电阻式压力微传感器
原理: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。 优点:被测压力和电阻变化之间有很好的线性关系。 缺点:压敏电阻随温度的变化明显,应用时必须做温度补偿。

电阻式压力微传感器

电容式压力微传感器
原理:当膜片感受压力作用弯曲时,电容器的极板间距改 变而引起电容变化,其变化量与被测压力相对应,从而得 知被测压力。 特点:与硅压阻式压力传感器相比,硅电容式压力传感器 的灵敏度高,功耗低。而且输出随温度的变化小,因此具 有了好的输出重复性和稳定性,更适合于低压量程测量。

电容式压力微传感器
特点:与膜片式硅电容压力传感器相比,具有硬中心的硅 电容压力传感器,更有利于极板间敏感电容的变化处处相 等。 参考电容:不会随压力而改变,因此可以用来对微传感器 的温度特性进行补偿。

谐振式压力微传感器
原理:硅谐振式压 力传感器是基于梁 的谐振频率随压力 变化而改变的函数 关系,确定被测压 力。谐振梁由静电 激励而发生谐振。 当谐振梁受气体压 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。

固定电极

谐振式压力传感器结构图

谐振式压力微传感器
在谐振梁和固定电 极之间施加正弦电 压信号就可使梁共 振,由梁上的压敏 电阻提供反馈。施 加在下层晶片薄膜 上的压力增加了共 振梁的张力,就象 调紧吉他弦一样, 这就增加了它的共 振频率。

固定电极

谐振式压力传感器结构图

谐振式压力微传感器
激振方式有 : 静电激振、 电磁激振、电热激振、激 光激振等 ; 拾振方式有: 电容拾振、电磁拾振、压阻拾振及激光 拾振等。

谐振式压力传感器闭环系统示意图

谐振式压力微传感器
特点:
? 硅压阻式和硅电容式传感器为开环模式工作,而硅谐 振式为闭环模式工作,这样受电路参数变化的影响很 小。 ? 测量精度、稳定性及测试分辨率均优于压阻式和电容 式微传感器1个数量级。压阻式和电容式的精度通常 达到0.1%左右,而谐振式通常达到0.01%。 ? 直接输出频率量,无需A/D转换,方便的与数字系统 连接。 ? 对温度不敏感,并且具有很好的线性输入/输出关系。

加速度微传感器
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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 等系统中广泛应用。

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电阻式加速度微传感器
工作原理及结构特点: 原理: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,质量块上下运动, 使悬臂梁上的压敏电阻 阻值发生与加速度a成正 比的变化,通过测量电 桥输出电压的变化,从 而得到加速度。
压阻式微加速度传感器原理示意图

电阻式加速度微传感器
特点:由于悬臂梁的根部 应变量最大,所以为提高 传感器的灵敏度,应变电 阻制作在靠近悬臂梁根部 的位置。 这种传感器是应用于测量 心脏壁的微型加速度传感 器,它的外形尺寸为 2mm×3mm×0.6mm,质量 为0.028g。
压阻式微加速度传感器原理示意图

电阻式加速度微传感器
最大优点:可以测量低频加速度。 缺点 :①温度效应严重,需要通过温度控 制电路对温度效应进行补偿; ②分辨率较低,一般只能到0.01 m/s2左右, 要继续提高分辨率,难度很大。

电容式加速度微传感器
原理:当加速度作 用在质量块上,产 生的惯性力使质量 块发生位移,导致 电容极板间距发生 变化,使电容大小 改变,通过检测电 容的变化量,就可 以得到输入加速度 的信息。
悬浮支架 加速度

固定支架

质量块

衬底
导电电极 电容微加速度计结构

电容式加速度微传感器
实际上,电容值与极板间距并不成正比,存在误差, 导致电容变化和输入加速度呈现非线性关系。为解 决这一不利因素,通常有两种方法来改善:
①采用力平衡反馈闭环系统,设 立反馈电极,将输出电容信号转 化为电压信号加载在反馈电极上 产生一个与质量块加速度力方向 相反的力,使质量块重新恢复到 平衡状态,此时加载的反馈电压 与输入加速度成正比,通过测试 电压即可得到加速度的情况;
悬浮支架 加速度 固 定 支 架

质 量 块 衬底

导电电极 电容微加速度计结构

②采用差动电容方式,即 质量块在惯性力作用下, 使一个电容增大,同时另 一个电容减小,使差动电 容并联,两电容相加,总 输出电容变化量就可以近 似认为与极板间距变化量 成正比。

差动电容式加速度微传感器结构图

谐振式加速度微传感器
主要组成部分:一个质量块 、 用于支承整个传感器的 两对悬臂梁以及两个双端固支音叉。对称布置着4个拾振 电极和4个激振电极( 材料为压电陶瓷片)

工作原理:加速度使得 质量块产生惯性力,导 致音叉分别产生拉伸和 压缩应变,使硅梁的谐 振频率发生变化。谐振 频率的变化与被测加速 度成比例,由此测得加 速度。
谐振式加速度传感器

梳状谐振式微加速度计


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