第5章微传感器和微执行器模板.ppt

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1、第5章微传感器和微执行器（第1部分）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执行器的分类基本致动方式介绍微执行器的实例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。重复性：传

2、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。附例：一个微加速度传感器的指标灵敏度：100mV/g量程：50g频率范围：0.5-8000Hz（±10%)安装谐振点:30kHz分辨率：0.0002g抗冲击：2000g重量：8mg安装螺纹：M5mm线性：≤1%横向灵敏度：≤5%典型值：≤3%输出阻抗：＜150Ω激励电压：18-30VDC典型值：24VDC温度范围：-40～+120℃壳绝缘电阻：＞Ω安装力矩：约20-30Kgf.cm(M5螺

3、纹)几何尺寸：四方12mm、高度13.5mm按传感机理分压阻、压电、隧道、电容、谐振、热对流按物理参数分力（加速度/压力/声）热（热电偶/热阻）光（光电类）电磁（磁强计）化学和生物医学（血糖/电容化学/化学机械）微传感器的分类(1)压阻敏感原理当压力作用在单晶硅上时，硅晶体的电阻发生显著变化的效应称为压阻效应。在外力的作用下，结构中的薄膜或梁上产生应力分布，应力的存在使得压敏电阻的阻值发生变化微传感器的敏感原理电阻的基本关系式电阻率的变化率电阻的变化率其中，为压阻系数压阻变化的具体过程1）金属电阻的改变主要由

4、材料几何尺寸的变化引起，因此起主要作用；2)半导体电阻的改变主要由材料受力后电阻率的变化引起，因此起主要作用；3)半导体的灵敏度因子比金属的高得多，一般在70-170之间。压阻式传感器输出信号的检测一般需要采用惠斯通电桥输出电压电容式微传感器的基本结构(2)电容敏感原理利用可变电容器作为传感元件，将作用于传感元件上的不同物理量的变化转换为电容值的变化。间隙变化型：改变两极板间隙δ面积变化型：改变形成电容的有效面积A介质变化型：改变两极间介质的介电常数ε平行板电容器的电容为间隙变化型电容式微传感器利用泰勒级数展

5、开，由麦克劳林公式可得略除高阶无穷小项，得这时传感器的灵敏度和非线性误差分别为采用差动电容结构可以大大减小传感器输出的非线性：(3)隧道电流敏感原理在距离十分接近的隧道探针与电极之间加一个偏置电压，当针尖和电极之间的距离接近纳米量级时，电子就会穿过两者之间的势垒，形成隧道电流。隧道电流质量块隧道探针输入感应力方向膜隧道电流式微传感器的基本结构为直流驱动电压，单位为V；为隧道电流，单位为A；为常数，等于；为有效隧道势垒高度，单位为eV；为隧道电极间距，单位为nm。在标准情况下(0.5eV，1nm)，隧道电极间距

6、变化0.1nm时，隧道电流改变2倍。利用这个原理，可以设计各种微传感器。∝隧道电流式微传感器是一种高灵敏度的微传感器，具有噪声小、温度系数小以及动态性能好等特点。(4)压电敏感原理压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其两个表面上会产生极性相反的电荷；若将外力去掉时，又重新回到不带电的状态。逆压电效应：在压电材料两端施加一定的电压，材料会表现出一定的形变（伸长或缩短）。压电材料的特性常常用电荷灵敏度系数来表示电荷灵敏度系数：沿i轴在材料表面产生的电荷与沿j轴所加的力F的关系得出两金属板

7、间的电压差(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(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

8、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