课件3(材料和工艺)(精品).ppt
MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007第3章微传感器的常用材料及加工工艺微型化作为传感器的主要发展方向,不仅是各应用领域需求推动的结果,也是科学技术发展的一个必然.没有相应的材料制备以及基础加工工艺的支持,要实现微传感器几乎是不可能的.传感器的微型化起源于半导体制造工业的技术进步，而MEMS技术的发展则是微传感器的最直接推动力。微传感器是目前最为成功、最具有实用性的MEMS器件。3.1材料的基本知识微传感器的敏感原理是一些物理现象或化学现象，而微传感器的具体实现则是依靠一些能有效表现这些现象的材料。材料对于微传感器的研究与制作都起着相当重要的作用。没有好的材料，就不可能有好的微传感器。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20073.1.1材料的基本物理特性一切物质，包括固体、液体和气体，都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。原子结构直接影响原子间的结合方式。若外电子层未填满，原子便试图获得额外电子，组成分子或聚合物。有4种主要键合类型，即离子键、金属键、共价键和范德瓦尔斯力。离子键是由不同极性离子之间的静电吸引所形成的。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键形成晶体其原子按长距离三维图案排列，以降低总能量并维持电中性的固体。因为没有自由电荷，离子之间的强内聚力使得离子键形成的晶体具有低的电导率、相当高的熔融温度和良好的机械强度。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007金属键也是由静电力产生的。与离子键不同，这些静电力不是在占据固定位置的电荷之间，而是在固定的正电荷与围绕固定金属正离子运动的电子云之间。金属中的自由电子来自于原子的最外层电子（价电子）。因此，金属具有规则的结构，但不需要特殊的原子排列来保证电中性，而是由群集的电子云维持电中性。金属中的晶体结构由原子的聚集能力决定。较小的原子可以通过半径较大的原子晶格扩散，如锗中的铜。金属的基本特点是电子的共有化。金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这使金属有良好的延展性。并且，由于自由电子的存在，金属一般都有良好的导电和导热性能。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007共价键来源于与相邻原子共享电子的原子。两个或多个电极性相差不大的原子间通过共用电子形成化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极为牢固，故共价键形成的晶体稳定具有结构、熔点高、质硬脆等特点。范德瓦尔斯力出现在分子内部具有共价键的分子之间。由于电子的连续运动而使正电荷中心与负电荷中心不重合，故其偶极矩很小。范德瓦尔斯力属于物理键，是一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能要少12个数量级。范德瓦尔斯力将有机分子维持在一起，形成内聚能很小的晶体，而且晶体的结构取决于分子聚集在一起的程度。不同的高分子聚合物有不同的性质，分子间的范德瓦尔斯力不同是一个重要因素。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007由于内聚力小，具有范德瓦尔斯力的材料的熔点和沸点都不高。另外，氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（如O、F、N等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。原子中的电子只能占据确定的状态或能级,即使受到激发时也是如此.对应于未激发态的能级与对应于激发态的能级间隙等于使一个电子从基态跃迁到激发态所需能量的大小。大多数原子中都有许多能级，各临近能级形成能带。固体的电子性质和能带结构密切相关。能带之间的相对间隔决定了材料的电导率，这对微传感器是一个有用的特性。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007根据结构，固体可以呈单晶态、多晶态、非晶态和玻璃态。晶体可以看成是完全填满空间的“晶胞”的周期性重复。晶胞可以用空间点阵来描述。原子不仅占据顶点，而且也能占据晶胞的中心、两个面或多个面的中心或它们的组合。方向和晶面用所谓米勒指数来表示。多晶材料（如金属和陶瓷等）由经晶界结合的大量随机取向的晶体（所谓晶粒）集聚而成。当晶粒足够小时，多晶材料的一些物理特性（如弹性模量、电导率和热膨胀）呈各向同性，尽管构成的晶体可能呈各向异性。非晶态固体（如树脂）没有有序原子，它们是固化的液体。当冷却时，其黏度增大，因而阻碍晶体的形成和生产。玻璃具有短序列，但缺乏长序列。非晶态结晶的材料（如大多数聚合物）为非晶态，但部分晶化。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20073.1.2导体、半导体和电介质材料有两类导体，即电导体（金属及其合金）和离子导体或电解液（酸、碱和盐溶液）。在微传感器中，金属还可以用来构成能使被测对象产生显著变化的电路元件，如电涡流微传感器中的线圈、电容微传感器中的极板、电化学微传感器中的电极等。在诸如双金属温度微传感器或者弹性元件之类的微传感器中，微传感器的特性也主要依赖于金属及其合金的特性。此外，有一类特殊的金属材料，称为金属功能材料，近年来得到了大量的研究与应用。人们利用金属功能材料具有传导信息、存储或记录、转化或变换能量的特性，设计制造了多种微传感器。量大面广的有磁性材料、弹性材料、热电偶材料、热敏电阻材料、应变电阻合金、形状记忆合金等。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007利用金属功能材料的功能特性已设计出了力敏、磁敏、热敏及流量等多种微传感器。随着微传感器发展，这类材料向精、细、箔和非晶态方向发展，新型功能材料以及传统功能材料的新功能研究也成为研究的主要方向之一。例如，利用金属及合金制作膜型微传感器、厚膜及薄膜铂电阻温度计，利用坡膜合金沉积在衬底上并经光刻工艺制造磁敏电阻，将应变电阻合金沉积在衬底上生产应变计等。金属及合金浆料、引线和保护材料等都是微传感器不可缺少的主要辅助材料。其中，直径小于0.018mm，又有一定强度的超细贵金属丝材就是亟待解决的问题。对不同介质耐腐的弹性材料的表面改性技术也在探索研究中。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007另一方面，离子导体或电解液主要用于化学微传感器，尤其是基于电化学原理的微传感器。虽然电化学微传感器方面的理论已经相当成熟，但在具体实现技术方面仍然存在许多需要研究的问题。电化学微传感器的技术成熟度几乎是目前所知的化学量微传感器中最高的。据统计，商业化的气体微传感器中，90%以上属于电化学类传感器。由于半导体材料对很多信息量具有敏感特性，又有成熟的平面工艺，易于实现多功能化、集成化和智能化，同时也是很好的衬底材料，所以是理想的微传感器材料。半导体材料目前已经广泛用在微传感器中，在今后相当长的时间内也将会占据主导地位。半导体材料在电子电路中的应用早已为人们所熟知。由于对硅在电子器件中所呈现的特性有了深入的了解，硅材料的优良机械性能（抗拉强度比钢大、硬度高但易碎）、可将信号调理电路集成在同一芯片上、可利用微加工工艺进行大批量生产，使得硅成为一种应用方便的微传感器材料。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007电介质材料具有共价键，是良好的电绝缘体。电介质材料的特性常用介电常数来表征。介电常数是电通量密度与电场强度之比。电介质被用作电绝缘体，同时也可用于检测，如用在可变电容器中。陶瓷、有机聚合物和石英也是微传感器中经常使用的电介质。陶瓷材料能耐腐蚀、磨损和高温，已经成为普通传感器以及厚膜和薄膜微传感器中用来支撑其他敏感材料的常用材料。陶瓷材料本身也可以用作微传感器的敏感材料。敏感陶瓷的种类很多，应用也很广泛。按其特性，一般包括热敏陶瓷、压敏陶瓷、湿敏陶瓷、气敏陶瓷和光敏陶瓷等。此外，陶瓷智能性结构材料，既具有传感功能，又有像压电元件那样的执行功能。此外，还可用某些陶瓷制造出具有感知、执行（转换）和初步的信息处理功能的电子器件。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007有机聚合物是大量所谓单体的相同分子由共价键结合在一起时形成的大分子。键合分子可以形成直线结构或三维结构。直线排列能给出可弯曲、富有弹性、柔软和热塑性的材料，即黏性随温度升高而增大的材料。某些热塑性材料，如尼龙、聚乙烯和聚丙烯都呈结晶态，聚苯乙烯、聚碳酸脂和聚氯乙烯则呈非晶态。热固性材料具有三维结构，它们不易弯曲，易碎，几乎不能溶解，被加热时会产生不可逆变化。硅、聚氰胺塑料、聚脂和环氧树脂是常见的热固性材料。热固性材料除可直接用作微传感器的材料外，还可以用于结构型微传感器的保护。例如，环氧树脂经常被用来封装微传感器的电路，不仅可有效提高微传感器电路在使用中抗意外损伤的能力，而且可有效保护微传感器的敏感元件结构及电路不易被人仿制。合成橡胶则是特性类似橡胶的第三类聚合物。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007将填料加入聚合物所得到的塑料可以改善塑料的机械特性.塑料是优良的电绝缘体,但某些塑料也用于检测湿度、压力和温度。例如，某些合成橡胶在受到延伸时会改变电导率，可用于应力检测，制成类似“电子皮肤”的微传感器阵列。在橡胶材料中添加炭黑可增强对材料的应力敏感特性，其中炭黑的添加工艺是调整材料敏感范围以及灵敏度的关键所在。此外，在聚合物中添加一些良导体（如银粉或炭粉）以及在聚合物生长期间添加不同的平衡离子即可变成导电聚合物。聚合物还可用作离子选择性微传感器和生物传感器中的敏感膜。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20073.1.3MEMS常用材料MEMS所用的材料中,以硅材料最为常见.此外,金属及金属氧化物也是MEMS的常用材料.1.单晶硅与多晶硅单晶硅是广泛使用的、廉价的MEMS材料。其物理特性稳定，无塑性变形。单晶硅是各向异性的材料，性能取决于晶体的切向。当硅材料沉积在基片表面时，就会形成多晶硅。多晶硅是由硅的微晶组成的，这些微晶的尺寸在0.1m到十几m之间。多晶硅常用作微电子电路中的连线材料。获得多晶硅的沉积工艺有多种。多晶硅具有同单晶硅类似的机械性能，只不过没有晶面，在受到相对比较低的应力时就会发生破裂，且破裂的方向是随机的。2.氧化硅与氮化硅氧化硅（SiO2)是非常有用的电子材料，其介电常数低，电阻率非常高，且容易成型、黏附力强。裸露在空气中的硅在室温下就会形成一层厚度约为3nm的氧化硅。当加热到300C并保持1h后，可形成1m的氧化硅层。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007氧化硅的沉积工艺及应用技术已经相当成熟。在应用中需要注意的是，氧化硅的热膨胀系数比硅要小，因此硅衬底表面的氧化硅层通常会处于一种受压状态。氮化硅（Si3N4)同样是一种优良的电子材料。其电阻率非常高，介电常数低，不会受到氧的影响，比起硅材料本身，氮化硅可耐受多种化学腐蚀。氮化硅比氧化硅的绝缘性更好，熔点高达1100C，是一种非常常用的绝缘层材料，常用于在器件之间以及器件与衬底材料之间提供绝缘。3.金属材料MEMS中常用的金属材料主要是铝、钨、金、铂等。铝是最常用的材料之一。其熔点低，且性能稳定。钨则可在高温下保持稳定。金属材料通常采用蒸镀或溅射的方法进行沉积形成薄膜，一般用作半导体器件之间的低电阻连线。在用于生物化学量检测的微传感器中，金或铂以其稳定的物理化学性质，成为固定有机敏感膜的衬底材料。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007在应用中需要注意的是，由于尺寸的微变化，金属材料的机械性能远不同于其普通尺寸下的性能。晶粒结构非常复杂且受到表面层的影响，许多性质目前还无法得到合理的解释。4.光刻胶光刻胶是MEMS工艺必不可少的材料。光刻胶是一种有机材料。一般光刻胶薄膜的厚度为0.5m左右，近年来出现的SU-8光刻胶则可达到50m以上的厚度，可用来制作高深宽比的结构。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20073.2微传感器的常用材料微传感器材料大致可分为敏感材料和辅助材料两大类.敏感材料是微传感器材料的核心,用于制作微传感器中敏感被测量的敏感单元,如气敏微传感器中的气体敏感膜.敏感材料的品种繁多,性能要求严格.辅助材料是微传感器不可缺少的组成部分,对辅助材料的选择与应用是否合理将直接影响微传感器的特性、稳定性、可靠性和寿命。3.2.1半导体敏感材料以半导体硅为代表的半导体材料，是微传感器的重要敏感材料，在微传感器的研究与发展中有着非常重要的位置。近年来，利用超晶格结构制备技术发展出的禁带可控新技术、能带工程带来电子和光子等的特性剪裁技术、超精细机械加工的立体工艺技术、键结合的封装技术、提高使用温度和扩宽应用领域的多孔硅、多晶和非晶材料技术等，为半导体微传感器带来了突破性进展。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007化学场效应二极管类微传感器以及其它类型的半导体微传感器，已经在气敏、离子敏传感器方面取得了大量的研究成果。随着基于硅材料的加工技术的完善，尤其是栅膜材料技术的提高和立体工艺技术的深化，半导体微传感器将成为一类很有希望的智能微传感器，有些已经实现了商品化。3.2.2敏感陶瓷材料在传感技术领域，使用陶瓷材料的敏感元件占有重要地位，从现在的品种和数量上看，比例相当大，从开发新材料、新器件这一角度来看，潜力更大。这主要是因为敏感陶瓷材料具有以下特点：（1）陶瓷是用无机粉末作原料，经过混合、成形、烧结等工艺制成的一种材料。通过改变无机粉末的组成，可以制成性能不同的各种陶瓷敏感材料。此外，陶瓷材料的微结构-晶粒、晶界、气孔等对材料的性能影响很大，这些微结构受制造工艺的影响，因此，不仅通过改变配方可以改变陶瓷的特性,而且控制工艺也可以改变陶瓷的特性，这就为满足各种敏感元件的要求带来了方便。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007（2）由于陶瓷材料是经过混合、成形、高温烧结等简单工艺制成的，所以容易实现批量生产，同时价格低廉。（3）陶瓷材料是非金属无机质固体，不燃烧，耐腐蚀，耐磨损，这些性能都是制造可靠性高的敏感元件所必须的。（4）可通过和其他材料复合改进性能。还可利用陶瓷的多功能性，实现用单一陶瓷片制成多功能敏感元件。敏感陶瓷材料是采用化学、物理及热性能稳定的金属氧化物经高温烧结而成的，具有耐热、耐磨、耐腐蚀等优良特性，不仅广泛地用于光、位置、热、电磁波等多种检测领域，而且适宜用在条件苛刻的环境中。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20071.基于粒体物性的敏感陶瓷材料微传感器中使用的陶瓷材料,最初主要着眼于它的粒体物性，即介电性、磁性及半导体性。陶瓷材料在微传感器领域的应用可能源自材料科学技术与信息科学技术的交叉。制造各类电子元器件的介电、铁电、压电等陶瓷功能材料，以及IC封装的装置瓷等均为绝缘体，保证优越的绝缘性是实现特定功能的基础。在制造过程中防止材料的半导体化，往往成为提高陶瓷质量的重要技术措施。但反过来，有意地使陶瓷材料半导体化，促使了半导体陶瓷材料（简称半导瓷）的发展，并很快在敏感元件和微传感器领域得到广泛应用。半导瓷的半导化机理，在于陶瓷材料成分中化学计量比的偏离或杂质缺陷对晶粒的影响，以及施主和受主在晶界形成的界面势垒，从而使陶瓷体的电导率由10-10S/m提高到10-810-5S/m之间。这种半导体的电导率受外界条件，如温度、电场、光照、气氛、湿度的影响可能发生显著变化。利用这种敏感特性可制造各种敏感元件和传感器。其中以电导率特性直接应用于敏感电阻器最为成功。即以半导瓷为主的热敏电阻。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20072.湿敏及气敏陶瓷材料敏感陶瓷材料在微传感器方面的另一种应用方式是利用粒体的某些特殊性质。例如，利用陶瓷上的孔隙，让水蒸汽或气体通过这些气孔，在陶瓷内部扩散并吸附于粒界表面，将引起界面导电率的变化，从而研制出新型的敏感元件。3.2.3高分子敏感材料高分子，也称聚合物或高聚物，是由成千上万个原子通过共价键连接而成的分子量很大（几万到几百万）的一类分子。高分子材料，顾名思义，便是以高分子化学物为主要原理，加入各种填料或助剂制成的材料。高分子材料既包括常见的塑料、橡胶、纤维（三者并称三大合成材料），也包括人们经常使用的涂料、黏合剂，以及功能高分子材料，如离子交换树脂（用于水净化）、生物高分子材料（用于人造器官）等。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2007与比较成熟的金属功能材料、半导体材料和敏感陶瓷材料相比，高分子功能材料属后起之秀。高分子功能材料能把大多数非电信号转变成电信号。1.有机高分子湿敏材料利用有机高分子材料的自身亲水特性，将适量的导电微粒均匀地与其混合，可制成高分子感湿材料。2.有机高分子气敏材料有机高分子材料还可作为气体微传感器的敏感材料，具有灵敏度高、选择性好、能在常温或较低温度下使用等一系列优点。由于有机化合物便于修饰，可以按功能所需进行分子设计和合成，因此随着薄膜技术及微电子技术的发展，有机高分子气体微传感器在敏感材料的成膜工艺、结构设计、信号检出等方面都有所突破，成为气体微传感器中很重要的一个分支。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China20073.有机高分子压电材料高分子压电材料的发展为力学量微传感器的研制提供了一种新的材料。自1969年河谷川发现聚偏二氟乙烯（PVDF）压电性以来，高分子力学量微传感器的研究开发获得迅速发展。3.2.4磁性材料固体的磁特性与原子中电子的特性有关。磁性材料可被用作将磁通量限定在确定的体积范围内的结构元件。此外，在微传感器中，可用于检测一些磁参量，此时被检测的磁参量能改变另一些物理特性，如磁敏电阻的电导率，还可用于检测能改变磁性的一些物理量，如温度和机械应力等。3.2.5微传感器的封装MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,Chinal金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片l压阻式传感器压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻系数压阻系数n固态压阻传感器固态压阻传感器 应变式传感器应变式传感器MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、一、金属应变片式传感器金属应变片式传感器金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China(一一)金属丝式应变片金属丝式应变片1 1、应变效应、应变效应当当金金属属丝丝在在外外力力作作用用下下发发生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，得电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,Chinadr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/r r=由材料力学知将微分dR、d改写成增量R、，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数比例系数K KS称为金属丝的应变灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属 0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。MEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,ChinaMEMS Center,Harbin Institute of Technology Harbin,150001,China2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1
