第二讲

							   第二讲

微系统工作原理
微传感器与微驱动器原理（一）
   前章延伸：MEMS市场前景诱人、设计制造
    涉及到多学科的科学与工程原理的应用

   了解这些器件的工作原理对新MEMS器件设
    计是重要的

   本章给出的只是器件原理的基本信息

   注意：所选器件只是由于其设计上巧妙的
    想法，市场上未必是成功的
   概念（从能量的角度）：是将能量从一种形式转换成另外一
    种形式，并且针对特定的待测输入为用户提供一种
    可用的能量输出的器件。即是指能感受规定的被测
    量并按照一定规律转换成便于测量的输出信号的器
    件，一般由敏感元件和转换元件组成。

    微传感器（Micro-sensor）是微机械的重头产品，
    在已开发的微机械产品中，微传感器占到90%。微传
    感器的体积小、功耗低响应快，便于和信号处理部
    分集成以构成微传感器测试系统，这些特性使其可
    以应用于汽车、航空航天、电机、医学、家用电
    器、生物化学、环境监测等广阔领域。

    微传感器的出现和广泛应用是微电子制造技术扩展
    应用的结果。这些技术包括光刻、薄膜镀层、化学
    和离子加工等。它们使得传感器结构得以微型化，
    从而能在同一基片表面制作大量的传感器，实现批
    量生产。
                      Micro-System

一 微型机械量传感器
  1 传感原理∶电阻(包括压阻)传感、压电传感、电容
 传感和隧道传感；
 2 微型传感器∶加速度传感器、压力传感器；
 3 特种微型位移和力传感器∶压阻SFM传感器、压
 电SFM传感器、电容式SFM传感器。

二 微型光学传感器

三 微型红外和热传感器
微型机械量传感器的发展历史

   半导体材料，特别是Ge和Si，作为机械量-电学量转换器利用起源于
1957年。在此以前C.S.Smith发表了Ge和Si的压阻系数比其它材料高的结
果。F.P.Burns用两块Si薄片制成了声音传感器，W.P.Mason等人几乎在
同时发表了更实用化的同种器件。二者是压阻传感的开始。

    这之后，随着半导体材料加工技术的快速发展，材料变得更容易获得。
1960年左右丰田理研开发出了十分实用的半导体应变传感器，同
时,W.P.Wason等人制作了细长的Si传感器，可以贴在弹性体上作为载荷计
使用。1961和1962年的Instrument Society of America大会上半导体应
变传感器相关的报告很多。在此基础上，MicroSystem、Baidwin-Lima-
Hamiton、和Kulite-Bytrex公司都先后推出了半导体应变计商品。另外
一些工业化生产的微传感器产品，包括在石英上制作的霍尔效应（Hall
Effect）探头、加速度计、力传感器以及化学传感器等等。

  可以用微系统技术开发的微型传感器种类很多，本课程无法全部介绍。
所以我们只能从基本的传感原理讨论入手，然后从一些典型微传感器结构
来看这些原理是如何应用的。
  下表列出的是一些微系统机械量传感器中常用的传感原理。考虑的
重点是∶是否需要电路集成、是否可以响应直流信号、温度系数、长程
漂移、系统复杂性等。
第一 电阻和压阻应变传感

    应变传感器(Strain Sensor)是许多微型器件上的一个集成部件，用
于测量应变，或者直接测量结构的位移。应变传感器是特定的导体或者
半导体，它被粘结或者直接加工在被侧表面上。传感器电阻随其尺寸按
比例变化，这部分是由于尺寸变化(Streching)，也部分由于1856年
Lord Kelvin发现压阻效应(Piezoresistive)。传感器的灵敏度因设计不
同有很大差别。种类繁多的传感器可以在很大范围内实现线性度很好的
测量，满足广泛的应用要求。
    一般来说，其灵敏度可以用如下计量因子(Gauge Factor)表示

         relative resis tan ce change R / R R
    GF                                     
                    strain             L / L R

(这里用的是径向应变)，我们可以用偏微分方法求出各个物理量对GF
影响的表达式。
首先对电阻量表达式求微分
                L
           R
                A
(in Ω)。其中ρ电阻率，in Ω cm；L是长度in cm；A是截面积，in
cm2。求偏微分得到:

               L    L
       dR  dL  d  2 dA
           A    A    A
上式除以R得
          dR dL d dA
                   
           R   L      A

必须指出，这里把导体简化成了圆截面的线。用泊松比可以给出横
向尺寸的相对变化。

           1  D / D    dD / D
                 
           2  L / L    dL / L
截面积A与其横向尺度D的2次方成正比，所以有
              dA 2dD
                 
               A   D
代入泊松比得到

             dA       dL
                 2
              A        L
因此电阻的偏微分表达式写成

        dR             dL d
            (1  2 )    
         R              L   
式中第一项代表尺寸变化的影响，第二项代表压阻效应(传感器材
料电阻率的变化)。由此，传感器计量因子可以写成∶

        dR / R dR / R               d / 
   GF                (1  2 ) 
        dL / L   1                   1
事实上上式同样适用于非圆截面的传感器。

正如下表所示，不同类型的应变传感器的计量因子差别极大，主要看其是
否有大的压阻效应。


  Type of Strain Gauge               Gauge Factor
  Metal foil                         1 to 5
  Bar Semiconductor                  80 to 150
  Diffusion Semiconductor            80 to 200



   Table comparing the gauge factors of differential types of strain gauge
金属应变传感原理

  对于金属而言，电阻率ρ随应变的变化不大(只要其截面尺寸远
大于晶粒尺寸)，而其ν值0.3-0.5之间,它对GF是二倍的影响。然而，
实际上宏观的金属应变传感器GF值大于尺寸效应，所以应该有一些
压阻效应在其作用。
  金属应变传感器可以有细线或者金属薄膜组成，后者便于直接
加工在微结构的表面,金属薄膜应变片比较容易加工，所以适于更复
杂的形状。他们通常被制在柔软的塑料衬底上，然后粘到被测表面。
半导体应变传感原理

     在半导体应变传感器中，压阻效应很大，所以有很高的GF值。P-type
硅的GF值高达200，而n-type硅的GF是负值，可以低至-140。传感器可以
用注入或扩散法制在块体硅的局部表面，有时整块硅也可以作为传感器。
遗憾的是半导体应变传感器也有更高的阻抗温度系数，所以温度补偿很重
要。（比如，可以利用惠斯敦电桥，使用一个不施应变的参考传感器进行
补偿)。
     简言之，压阻材料中多数载流子的迁移率受应力影响(该影响与晶向有
关)。在P-type材料中，空穴的有效迁移率减小所以电阻增加，而在n-type
材料中，电子的有效迁移率增加所以电阻减小。检测到的迁移率变化源于
应变造成的能带结构崎变，如果需要的话可以精确计算。单晶硅压阻的强
温度依存性使得其有时应用不易，而多晶和非晶硅则可作为新的选择。(他
们不是各项异性)。多晶硅的总电阻晶粒内和晶界电阻组成，后者是重要的
方面。在晶粒内电阻变化与单晶硅同，即温度升高则载流子迁移率低电阻
率升高，而在晶界电荷井(charge trapping)会发展耗尽区(depletion
region)，此处温度增加会有利于载流子越过耗尽区，所以电阻率降低。通
过平衡这些影响，(比如改变注入剂量)，温度系数可以减至0。
第二 压电传感原理

  在某些材料中机械应力会导致产生电荷偏压，称为压
电材料。这种物理现象显然可以被用来测量机械应变(或
者直接测量位移)。

   压电单晶
   压电高分子
   压电陶瓷
第三 电容传感原理

   也许最重要、古老和精密的测量方法是电容式。电容位移传感
器的结构异常简单(一个或多个固定极板、加上一个或多个移动极
板)。其简单性和低的温度系数弥补了它线性度较差的缺点。平行板
电容器的基本公式

                 0 r A
           C
                     d
其中变量分别为电容(F)、真空介电常数(8.854x10-14F/cm)、相对介电
常数、极板重叠面积(cm2)和极板间距(cm)。当有多层介质时

                               0 A
           C
                    d1         d2            dn
                (                    ...        )
                     r1       r2           n
                返回

      0 r A
C
        d
-------电容传感器结构相对简单和宜于加工。可以通过改变d、ε或A
来实现非线性(比如用d)和线性(比如用A)的位置-电容转换。

------电容传感器的最大优点是其温度系数低(只要极间材料是温度系
数低的介电质，比如空气或者真空)。根据文献，空气介电常数的温
度常数在1atm20℃时约为2ppm/ ℃(干燥), 到7ppm/ ℃(最潮湿)。但是
空气介电常数对于气压很敏感，约为100ppm/atm。如果极板间是压
力恒定的空气(或真空)，起支配作用的影响是结构热变形不平衡(通
常也很小)。

-------另外一个优点是测量是非接触的。
隧道传感原理

隧道测量分辨率极高，因为隧道电流随着针尖－样品间距作指数规
律变化，

              I  I 0 e(     z )


这里，
I0----常数，于材料、针尖形状有关;
β----转换因子，典型值10.25eV -0.5/nm;
Φ----隧道势垒高度(eV)，典型值0。5eV;
z----针尖-样品间距(nm), 典型值1nm。

由于函数关系的极端非线性，其对位移的高灵敏度通常被用在闭环
反馈控制系统中。比如STM。
                                 返回


--------市场上出现的主要是压阻式传感器，主要原因是压阻式传感器对外
力敏感，并且输出阻抗很低，它的模拟输出在很大范围内是线性的。

--------电容式传感器对压力的灵敏度比压阻式要高得多（约两个数量级），
受温度的影响很小，功耗也低。因此，电容式传感器在微机械中很有发展
潜力。

-------小型硅基电容传感器的主要缺点是感应电容小，输出阻抗高和非线
性严重。微小电容对来自外界的影响极其敏感，因此对于硅基电容式传感
器，为保证信号的顺利形成和放大有必要采用集成电路。
    传感原理的应用------几种典型传感器
加速度传感器:
  加速度传感器在很多领域有应用，比如安全气囊、导航、机器
状态监控等。甚至包括炮弹定位等。微型加速度计很快获得广泛应
用是由于成本下降和性能提高。下表是不同应用场合的加速度参
数，其中g在纬度45海拔0m的地球引力加速度9.80665m/s2。
基本加速度计概念


               d 2 x dv
             a 2  ;
               dt    dt
               d 2 d
              2 
               dt     dt

   有3个线加速度和3个角加速度，共6个加速度量。一般角加速度
是用相对与转轴一定位置的线加速度来测量的，所以讨论的重点是线
加速度计的设计。
   通常加速度计包含一个质量块(proof mass，or Seismic mass)，然
后测量质量块在加速度作用下的位移、质量块作用在框架上的力或者
维持质量块位置所需要的力(即主动加速度计，需要一个闭环控制系
统)。测量作用在质量块上的力(F=ma)或引起的位移有多种方法，包
括应变计、电容、表面波器件、光学方法(干涉计)和隧道方法等。
实际上一个典型的基本型加速度计包含∶质量块、弹性件、阻尼元件和
限位件。
    F=ma=kxrel
这里k是弹性常数、xrel是相对于框体的位移。为了获得需要的频率响
应、串联了一个阻尼器，阻尼力与速度成正比。其力、谐振频率和振动
质量因子的表达式为




       d 2x        dx                         mk
    F  2  kxrel  rel ;  0  k / m ; Q 
       dt           dt                        b
应变计型加速度计

    图示为微加工的压阻式加速度计的最早的例子，是1979年发表
(Roylance和Angell)的用于生物医学领域监测心脏壁的运动。尺寸是
2x3x0.6mm.
基本的加工工艺是这样的∶首先在Si上加工对准用的孔，然后生长和加工1.5um厚的氧
化膜。然后扩散10欧区域用于欧姆接触和100欧的压阻区。。。。。最后利用阳极健
和Si和7740玻璃。




它可以分辨0.001g的加速度，满量程±200g，灵敏度50uV/g.Vsupply，压阻的
温度系数-0.2-0.3%/C,谐振频率2.33kHz。这是一个很好的微器件例子。现在
有更复杂的微加速度计，比如Takao等人发表的3维加速度计
(Transducers95，pp683-686)
电容式加速度计
  已经有一些用电容法测量位移的加速度传感器。理论上说，可
以在应变式加速度计的基础上，用质量块位动极板与框架极板形成
电容。但是实际设计有很大不同。不仅因为以上设计中大的极板间
隙导致非线性，同时他们也要求严格控制器件间距。这种开环的被
动式电容加速度计的一个好例子是Cole1991年发表的电铸的、扭转
的差动电容加速度计。(这种传感器Silicon Designs公司有售)
  该设计使用了电铸的、不对称的扭转电容极板，它在加速度作
用下发生转动，使下面的二个基板电极测到的电容的比率变化。传
感件尺寸1x0.6mmx5um，净电容约150fF。灵敏度由TorsionBar的
长度和宽度确定(对于25g器件，8um宽100um长5um厚)。这里单点
支撑减小了热胀的影响。该器件的商品中还包括一个集成电路块，
使输出信号与加速度成比例。整个封装成20脚的模块。

  其它各有特点的设计参看阅读材料。
压电式加速度计

宏观的压电加速度传感器相当普通，尽管他们通常由于电荷泄失和热
电效应而不能用于DC响应。微系统技术用来补偿这些因素并几乎实
现DC响应的是Chen等人1982年发表的结果。ZnO薄膜压电元件被耦
合到MOSFET门，从而几乎克服了电荷泄失(由于直接耦合)。无应变
的ZnO电容器串联到应变ZnO上几乎消除了热电效应的影响。
   微加工工艺包括PMOS工艺，ZnO和SiO2使用磁控溅射方法获
得的和湿法刻蚀的。利用保留的未刻Si作为质量块，报导的灵敏度
为1.5mV/g, 和一个频率响应在3Hz到3KHz。
隧道电流式加速度传感器

如前所述，隧道电流的位移检测灵敏度可达到亚纳米极，但是实际
上这种方式需要用闭环控制，所以隧道式加速度传感器也是闭环式
。以下是一种带静电反馈的器件。(Rockstad等人，1993年)。实际
上由于不做表面显微所以针尖并不要求很尖。
压力传感器

  压力传感器是另一类比较成熟的和商品化的微系统器件。真空系
统包括热导、Pirani和电离式压力计（真空计)，这里只学习机械式压
力计。

  压力传感器应用十分广泛。包括汽车里许多的气压、轮胎压、水
压、油压，环境控制，航空系统，医疗保健等领域。微加工的压力
传感器以其高性能、小尺寸和低成本而涉如市场。但是，正像其它
微系统那样，器件加工成本之外还有，检测和实装的成本也很高。
绝大部分微型压力传感器是所谓“空盒压力计”(aneroid)形式，即将被
测压力施与一个薄膜表面，然后测量其变形(已知压差-变形转换函数)。
结构解析可以给出最初的结构设计依据(但是需要以实验修正)。测量薄
膜位移可以用各种可能的方法，包括应变计、电容、压电(不能测DC)、
光学和隧道等。通常商品压力计用应变计或电容传感原理。
  如上图所示，压力计可以设计称各种类型，只要测出腔体内外压差
即可。但是，腔体做成真空是比较理想的，因为这样内压不受温度变化
的影响。根据Van Mullem等人的论文，一个圆周固支的薄膜中心位移
与压差之间的关系有如下的函数关系


      Pr 4      16     y   7  y 3
                     ( )        ( )
      Eh 4
             3(1   ) h 3(1   ) h
                    2




 这里
 P---所施加的压力，Pa;
 r---薄膜直径;
 E---杨氏模量，Pa;
 h---薄膜厚度，m;
 ν---泊松比;
 y---膜中心点位移。
压阻式压力传感器

  典型的压阻式压力传感器使用电化学或杂化选择刻蚀得到的Si薄膜构成
，绝大部分成功的器件都是这种形式。压阻元件位于薄膜的边缘，在其线
性范围内给出与变形(也即压力)成比例的输出。(实际上测的是应变量)。
  实际上用了4个压阻件组成电桥，以放大输出信号。在这种情况下如不
做温度补偿，55℃温度范围会导致1%的输出变化。对于汽车等环境，温度
系数会是问题。所以一定要温度补偿。
  压阻式压力传感器的输出电路: 左边为无温度补偿的电桥；右边为
带温度补偿的电桥。
  表面加工技术得到的压阻式压力传感器。其好处是单种材料所以
没有热胀系数差的影响。
电容式压力传感器

  撇开其非线性，电容式应变计可以用来做压力传感器(因为电容与间距
成反比)。正像其它应用那样，其接近0的温度系数式很有吸引力的。由于
电容式压力传感器不是平面极板，所以从
               0 A
          C
                d
                        0 A
           C            2
                                     d
                         d
对于非平面，需要求积分
                                 
      C  C0                          dxdy
                y x
                      d 0  d ( x, y)
此处d0式开始间隙。有限元分析等数值方法也经常被用到。
                                      返回
下面是一个例子，用微加工技术做的可植入人体的血压传感器，
有Michgan大学1980年发表。薄膜尺寸为290x550x1.5um，间隙
2um。其分辨率为0.41fF/mmHg.
特种微小位移和力传感器-----SFM微探针
最初的用微加工方法制作的SiO2和Si3N4悬臂粱。
带有金字塔针尖的Si3N4微悬臂粱
压阻式SFM力传感器。参数为: k=16N/m, ΔR/R=0.9ppm per A, MDD=0.2A
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压阻式SFM探针阵列
最早的压电SFM探针。用压电高分子材料组成的压电双层结
构。(1992，Univ Utah, J Tansock and C Williams)
用氧化锌为压电材料的SFM探针。1996, 须贺等
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利用压电陶瓷薄膜的SFM探针。Chu等1998。
电容式的SFM表面力传感器。1996，De Rooji等
电容式的SFM表面力传感器。1996，De Rooji等
光学传感器
       能把光能转换成电信号输出的传感器,基于量子效应,即材
     料吸收外界的光子后产生新的电子空穴对的能力,从而改变多数
     载流子的浓度.

a)   光电压结式的传感器
b)   光电导式传感器
c)   光电二极管式传感器
d)   光电三极管式传感器
作业


 第一部分 多项选择 1-10

 第二部分 简答1、2、3、7