北京交通大学教学课件—敏感器件设计.ppt
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1、敏感器件设计电子信息工程学院2005,4,18敏感元件概述 敏感元件和传感器 敏感元件的集成化和智能化 敏感元件的种类 MEMS微电子机械系统。 传感器和微电子机械的应用领域。敏感元件和传感器 SENSOR敏感元件从系统的前级取出所需信息的元器件感受敏感器敏感元件装置接触元件探测器设备初级检测器Ex.: optoelectronic sensor光电子传感器 TRANSDUCER -传感器转换器; 变流器, 换频器; 发送器; 传送器; 传感器(把能量从一种形式转换成另一种形式的装置。)Sandia National Laboratories iMEMSwww.sandia.gov Pre-e
2、tched trench to house MEMS structures CMP to planarize the wafer for regular CMOS processing Wet etch to release MEMS structures Need a dedicated production line敏感元件的集成化和智能化 敏感元件的集成化CCD sensor 阵列和信号处理结构的集成光敏开关,热敏开关:传感器和转换开关集成 敏感元件的智能化遥感摄像:数据记忆、储存身份识别:签字或指纹、声音等得比较、判决 微电子机械(microelectronic machine sys
3、tem)敏感元件的种类力敏sensor热敏传感器湿敏传感器气敏传感器光敏传感器磁敏传感器压敏传感器离子敏sensor声敏sensor射线敏sensor色敏sensor电磁波敏sensor军用sensor医用sensor生化sensor民用sensorMEMS微电子机械系统潜艇:惯性制导、飞机:导航系统卫星:加速度计导弹:放射线探测器汽车:压力传感器、液面传感器、尾气催化蜂窝载体手机:电感线圈、麦克通信:光开关(微镜)计算机:摄像头、打印头(喷嘴)生物芯片Basic technology of MEMS qBulk micromachiningWet etchSubstrateDRIEwww.b
4、co-Sacrificial layerstructural layerwww.mit.eduMicromotorqMicromirror arrays for compact projectorsqAccelerometers for automotive airbagsqMicromirrors for optical switchingqMany othersmicrostructuresTexas InstrumentsDigital Micromirror DeviceAnalog DevicesAccelerometerLucent Technologys2D micromirro
5、r for optical switchMEMS有何应用? Application AreasBiosensors 生物传感器生物传感器Biomedical imaging 成像成像Lab-on-chip 检测芯片检测芯片Micro-pumps, Chemical sensorsMicro fluidics 流体学流体学Mass spectroscopy质谱质谱Inertial sensors 惯性惯性Gas sensorsPressure, liquid level水平面水平面, Micromirrors 微镜微镜All-optical switchesMicrophonesMicrospe
6、akersMicromirrorsInertial sensorsBiomedical imaging敏感器件设计电子信息工程学院2005,4,21敏感元件的种类力敏sensor热敏传感器湿敏传感器气敏传感器光敏传感器磁敏传感器压敏传感器离子敏sensor声敏sensor射线敏sensor色敏sensor电磁波敏sensor军用sensor医用sensor生化sensor民用sensor敏感元件的种类 微敏感元件MICRO-SENSOR 微传感器自身 从系统的前级取出所需信息的元器件, 敏感元件、传感器TRANSDUCER部件对输入信号进行转换后的具体输出,指功能器件的结构和执行部件微传感器
7、机械类:力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器 磁学类:磁通计、磁场计 热学类:温度计 化学类:气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器 生物学类:DNA芯片微执行部件 微执行器:微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件:微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件:微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等喷雾给药中的微喷嘴敏感元件基础 敏感元件的种类 敏感元件的特性传感器的一般特性 传感器静态特性 传感器动态特性传感器静态特性 线性度
8、灵敏度 重复性传感器动态特性 动态测试的问题 传感器特性研究方法和指标 传感器数学模型 传递函数阵列集成结构 真空微电子器件:它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物,具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等 电力电子器件:包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件汽车工业每部汽车内可安装30余个传感器: 气囊,压力、温度、湿度、气体等微喷嘴智能汽车控制系统工业控制化工厂自动化控制中的探测器等敏感器件设计电子信息工
9、程学院2005,4,25传感器的发展方向 1、向高精度发展: 随着自动化生产程度的不断提高,对传感器的要求也在不断提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可操作性。目前能生产万分之一以上的传感器的厂家为数很少,其产量也远远不能满足要求。 传感器的发展方向 2、向高可靠性、宽温度范围发展: 传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题,大部分传感器其工作范围都在-2070,在军用系统中要求工作温度在-4085范围,而汽车锅炉等场合要求传感器工作所限的温度更高或温度范围更
10、宽,因此发展新兴材料(如陶瓷)的传感器将很有前途。 传感器的发展方向 3、向微型化发展: 各种控制仪器设备的功能越来越强,要求各个部件挤占位置越小越好,因而传感器本身体积也是越小越好,这就要求发展新的材料及加工技术,目前利用硅材料制作的传感器体积已经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的,体积较大、稳定性差、寿命也短,而利用激光等各种微细加工技术制成的硅加速度计体积非常小、互换性可靠性都较好。传感器的发展方向 4、向微功耗及无源化发展: 传感器一般都是非电量向电量的转化,工作时离不开电源,在野外现场或远离电网的地方,往往是用电池供电或用太阳能等供电,开发微功耗的传感器及无源传感器是
11、必然的发展方向,这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。目前,低功率损耗的芯片发展很快,如T12702运算放大器,静态功耗只有1.5A,而工作电压只需25V。 传感器的发展方向 5、向智能化数字化发展: 随着现代化的发展,传感器的功能已突破传统的功能,其输出不再是一个单一的模拟信号(如010mV),而是经过微电脑处理好后的数字信号,有的甚至带有控制功能,这就是所说的数字传感器。 敏感元件材料基础 敏感元件的物理效应 敏感元件的机理 敏感元件材料 开发温-光敏、力-光敏、磁-光敏、电-光敏、核-光敏等各类敏感材料,研究光纤传感工程化的关键技术新型特种敏感光纤。二、技术开发的总体目标和重点任务 重点
12、开发高精度NTC传感器产品技术、高可靠PTC热敏电阻技术、合金薄膜压力传感器生产技术、光纤传感器技术;形成力、热、磁传感器的规模化生产。 敏感元件及传感器生产技术,近年来在世界各国得到迅速发展。美国、法国、德国、荷兰、俄罗斯、 日本等国已实现产业化。我国在研制敏感元件及化感器方面有一定技术基础并已研制开发了部分敏感元件及传感器,主要技术性能指标已达到国际先进水平,但目前尚未实现工业化生产。三、主要技术开发内容及指标 (-)高精度NTC敏感元件及传感器开发纳米级粉体制备技术,热等静压成形技术,高致密度烧结技术,精密切割和阻值控制与调整技术,传感器封装与密封技术。 (二)高可靠PTC热敏电阻批量生
13、产时,开关寿命 10万次。 开发内容包括:超细粉碎技术工艺优化、控制晶粒均性的烧结工艺和设备、消除微裂纹的新型焊接工艺和设备、耐300阻燃包封材料的研究。 (三)关键生产设备和仪器 1.连续磁控溅射设备 2. PTc电压系数、 R-T特点、V-I特性测试仪; 3.焊接设备; 4.快速编带机(180250个min)。敏感元件的种类 2.光纤传感器共有制造技术 包括: 显微腐蚀、显微火焰、显微研磨、显微光刻等加工技术,净化技术,光纤涂复技术,特种光纤拉制技术,组装技术及检测技术 3.光纤传感器工程配套技术及器件、仪表。 4.光纤传感网络技术如光纤传感网络的通用技术、时分网络技术、频分网络技术。 5
14、.光纤传感器系统 包括液位类光纤传感器系统、温度类光纤柜位计、应变类光纤传感器系统、电力系统多参数检测、工业系统生产过程参数在线监测及其它方面的光纤传感器。(四)薄膜敏感元件的薄膜结构及生产工艺。产品一致性达60%以上。(五)敏感元件特殊焊接工艺1.金属弹性体及管座密封焊的研究开发。要求焊缝强度不破坏、不泄漏、抗压力60MPa,焊接气密性漏气率110 -4Pacm3S; 2.内引线焊接工艺,解决金丝球焊的二次焊接技术,金丝球焊抗断强度20g。(六)光纤传感关键技术1.光纤敏感材料的工程化技术 四、经济、社会效益和市场前景 敏感元件和传感器是信息产业的重要基础元件。传感器的应用将推动石油化工、冶
15、金、建材、电力等国民经济重要部门高技术的发展,具有巨大的社合效益。敏感元件及传感器广泛用于计算机开关电源、彩色显示器、程控交换机和通信机、汽车、工业自动化、农业现代化和国防工程,并大量用于彩电、空调、冰箱测温控温及电路温度补偿马达启动保护、过热保护等。年产3000万只PTC和lOOO万只NTC, 可创经济效益超亿元。预计今后五年增长率超过10,中国和东南亚市场年增长率可达20。我国有近百万座大、中型油罐及十余万压力容器液体检测,仅急需的十几万套光纤传感器,产值达20余亿元,铁道油罐车光纤装油自动计量系统,需要量达10亿元以上。另外,煤气光纤相位计,应变光纤传感器、光纤阀位回讯器等广泛用于冶金、
16、化工、 医药、食品等部门,将有数亿元的市场潜力。市场前景看好。 微执行部件 微执行器:微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等 微型构件:微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等 微机械光学器件:微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等敏感器件设计电子信息工程学院2005,5,9敏感器件设计 敏感元件材料 压力传感器压力传感器 物位传感器 力敏传感器和力敏元件 力敏传感器的种类甚多,传统的测量方法是利用弹性材料(丝、箔薄膜)的形变和位移来表示。随着微电子技术的发展,利用半导体材
17、料的压阻效应(即对其某一方向施加压力,其电阻率就发生变化)和良好的弹性,已经研制出体积小、重量轻、灵敏度高的力敏传感器,广泛用于压力、加速度等物理力学量的测量。薄膜敏感元件 薄膜结构及生产工艺金属丝、金属箔压阻片压电晶体、压电陶瓷。 压阻片 电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上,即成为一片应变片。设有一个金属电阻丝,其长度为L,横截面是半径为r的圆形,其面积记作S,其电阻率记作,这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时,它的电阻值为R: R = L/S()压阻片 对式(2-1)求全微分,即求出电阻丝伸长后,他的电阻值改变了多少。我们有: R = L/S + L/
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