微机电元件-感测器

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1、Part3微機電元件-感測器一個完整的微系統應含有偵測，處理，評估功能，以此作成決策，並將決策轉換成為相關致動器的命令。圖一、完整的微系統3.1感測器介紹：人造之資料處理系統與環境之介面，藉以將環境之物理、化學參數轉換成可處理、計算、分析之參數(一般微電子訊號)。分類如下：感覺器分類根據Gard信號形式被測參數熱溫度、熱量、熱流、熵、熱容等。幅射g射線、X光、紫外光、可見及紅外光、微波、無線電波等。機械位移、速度、加速度、力量、壓力、質量流、音波波長及振幅。磁的磁場、磁通量、磁矩、磁性、磁透率等等。化學溼度、pH值及離子.氣體濃度、毒性及有焰材料、蒸氣濃度及氣味、污染物等。生物糖、

2、蛋白質、荷爾蒙(激素)、抗原等。微感測器之優點：(1)成本低：整批製作，材料節省。(2)高靈敏度：體積小，無須大驅動源。(3)低遲滯：微小化之好處。(4)即時感測，即時傳輸；(5)可放置於狹小空間：由於微感測器體積微小，因此可置放於(6)操作所需能源小，電池可維持較長時間，甚至可無須外加能源。(7)量測時，不對系統造成幹擾：本身質量甚小，不會造成太大外加質量。3.2力及壓力感測器：3.2.1薄膜壓力感測器：圖二、三種薄膜壓力感測器，A之參考氣壓為大氣壓力(相對值)，B之參考氣壓為真空，C之參考氣壓為1大氣壓(絕對值)。薄膜壓力之製作為矽基加工。圖三、由矽所製作之電容性壓力感測器。3

3、.2.2電容性壓力感測器圖三所示為電容性感覺器利用兩金屬板間電容值之改變。當加壓力，膜撓曲，造成電極之距離改變，因此電容值增加或減少。由膜撓曲之改變量，量測電容值，可以算出壓力值。一矽基電容性壓力感覺器，以CMOS零件整合，包括感覺器，變壓器，放大器及溫度補償器。製造此裝置時，使用KOH溶液，以非等向性蝕刻一方形基材而不蝕穿保留一層矽膜，然後以陽極法黏貼夾於兩片耐熱玻璃之間如圖三所示。感覺器的電容被固緊於膜上及上層耐熱玻璃片上，做為參考電容用者其位置遠離壓力敏感區。此感覺器的尺寸為8.4mmx6.2mm。與壓電電阻信號轉換器相比，電容式壓力感覺器沒有遲滯現象，有較長時間之穩定性及較

4、高的靈敏度:靈敏度主要取決於所能製之電極間隙。3.2.3馬赫切德干涉儀圖四、馬赫切德干涉儀上圖所示為馬赫切德干涉儀，用以量測壓力變化。一個2到3mm厚，折射指數1.46的二氧化矽層被加到(100)矽晶圓上，以防止雷射光束被矽基材吸收。其次沈積上一層厚度為0.5mm導光層；其折射指數1.52。其三，再加上利用乾蝕刻形成之0.6mm厚二氧化矽層。以此設計，光在中間的SiON層被傳導而免於受到外界之幹擾。整個系統包含SiON波導，靈敏的矽膜，光二極體及CMOS放大器，被整合於一矽基材。此系統比傅統的壓力感覺器更靈敏。一具有4個膜之願覺器原型可以產出14mV/mbar之輸出。整個晶片之大小

5、為0.3mmx5mm，每一片膜尺寸為200mmx200mm。圖五、裏爾效應角度感測器3.3位置與速度為感測器3.3.1霍爾(Hall)效應角度感測器：圖六、霍爾元件基本構造及晶片實物圖六所示為霍爾元件原理，霍爾元件輸出電壓(霍爾電壓)VH=K．IC．Bcosq上式中IC為輸入霍耳感測器電流，稱為控制電流，通常為幾mA~幾十mA左右。B為測定霍耳感測器的磁場強度(磁通密度)單位元為高斯(或特斯拉，1特斯拉(T)=104高斯(G))利用霍爾效應所製造的角度感測器，可十分準確地量測角位移。整個系統的概念示於圖五。此感覺器包含一轉子，在其底部有一列齒。此轉子面對包含有數個霍爾感覺器電子電路

6、之靜子。一永久磁鐵置於霍爾感覺器之下，產生了一磁場。當轉子作動，齒通過霍耳感覺器改變了產生了電壓訊粧。一多工器一直掃瞄所有m個霍耳元件，產生了步階函數代表磁場的一個幹擾。信號通過一濾波器並被平滑化以產生正弦曲線。轉子連到了關節，所以角位移被決定了。旋轉造成了曲線的相位移，其由一比較器測定。此種程式對於轉子與感覺器陣列之距離相對地無關，所以系統對於振動不敏感。此系統也很穩定。3.3.2懸臂加速感測器圖七所示為懸臂加速感測器，當感測器初加速時，此質量使懸臂有位移，位移由感覺器拾起。使用電容的量測方法來記錄此撓曲。由撓曲可以算出加速度。圖七、懸臂加速感測器3.3.3壓電阻抗原理：以壓電阻

7、抗原理原理有效地量測加速度，壓電電阻加在懸臂會發生最大變形的點上。隨著所加的壓電元件數目之增加，感覺器的穩定性及精確性增加。如一質量由於加速度而移動，它會改變它們的電阻，圖八所示知加速度由電阻改變而可被決定。藉由增加可移動的質量，感覺器的靈敏度可以增加。質量的重心愈靠近懸臂尾端愈好。壓電電阻加速器通常由矽基加工所製。此允許微電子處理爭元可以整合於感覺器晶片上，使得系統緊密及且不受外界雜訊幹擾。圖八、壓電阻抗加速度感測器，3.3.4完全地積體電容性加速度量溯器圖九所示為