第六讲微传感器

微传感器的优点
体积小，重量轻。微传感器的敏感元件尺寸大多在微米
级，封装后的尺寸大多为毫米量级甚至更小；重量一般 在几克到几十克之间。
功耗低。特别适合电池供电的便携式仪器。 性能好。温度稳定性提高、工作频带加宽。 易于批量生产，成本低。微传感器的敏感元件一般利用
硅微加工工艺制造，适合大批量生产，从而降低了单件 成本。
典型微传感器之微压力传感器
//
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211
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1 2

1 2

1 2
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211
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1 2
1 2

1 2
1 2

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11
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44
P型硅—— //

1 2

44
;



1 2
44
N型硅—— //
上述三个公式是设计压阻式传感器的基本计算公式。室 温下单晶硅压阻系数数值见表。
典型微传感器之微压力传感器
11,12,44 1011m2 / N 的数值
晶体
导电类型
电阻率 /(Ω ·cm)
π 11
π 12
P
7.8
6.6
-1.1
Si
N
11.7 -102.2 53.4
π 44 138.1 -13.6
SHT11/15 型 智 能 传 感 器的外形尺寸仅为 7.62mm （ 长 ） ×5.08mm （宽）×2.5mm（高）， 质 量 只 有 0.1g ， 其 体 积 与一个大火柴头相近。
MPXY8300智能电容压力传感 器是飞思卡尔公司07年推出的 业内第一款采用MEMS技术制 作面向超低功耗和精确感应的 胎压监控系统（TPMS）的电 容传感器。芯片实物如图所示， 在20针脚的SOIC封装内集成 有电容压力传感器、电容X轴、 Z轴加速度传感器，温度传感 器、512bRAM、16KB闪存的 8位微控制器（MCU）和RF发 射器等电路。MPXY8300的超 低功耗可以使一节锂电池使用 10年!
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1）剪切应力不可能产生正向压阻效应，则矩阵中
14 15 16 24 25 26 34 35 36 0
微传感器之材料技术
微传感器涉及微机械学、微电子学、微流体力学、 微热学、微摩擦学、微纳米生物学等多种理论方 面的研究。
微传感器涉及的基础技术包括微机电系统设计技 术、材料技术、微加工技术、微测量技术、集成 与控制技术等。
微传感器之材料技术
微机电系统所用材料按性质分为三类： （1）结构材料：具有一定机械强度，用于构造微机电系统
例：计算（100）晶面内﹤011﹥晶向的 纵向压阻系数与横向压阻系数。
解：ABCD为晶面（100），在该面内 ﹤011﹥晶向为AC，相应的横向为BD。
晶面（100）方向的矢量描述为i，晶向 ﹤011﹥的矢量描述为j+k。由于
i j k i j i k k ( j)
因此独立的共6个，即
11, 22 , 33, 23,31,12 记为： 1, 2 ,3, 4 ,5, 6
将与6个方向应力对应的6个电阻率相对变化dρ/ρ记为
1,2 ,3,4 ,5,6
则压阻效应方程矩阵形式为
1 11 12 13 14 15 16 1
微传感器的优点
提高传感器的智能化水平。
智能传感器是测量技术、半导体技术、计算机技术、 信息处理技术、微电子学和材料科学互相结合的综合密集 技术。与一般传感器相比，智能传感器具有自补偿能力、 自校准功能、自诊断功能、寻址处理能力、双向通信功能、 信息存储、记忆和数字量输出功能。MEMS技术在传感器 方面的应用，大大提高了传感器的智能化水平。利用 MEMS技术，可以将信号调节电路、信号处理电路、微处 理器、接口电路等与传感器封装成一体，组成微传感器系 统。
器件结构基体的材料，如硅晶体； （2）功能材料：指具有特定功能的材料，如压电材料、光
敏材料； （3）智能材料：指具有结构功能化和功能多样化的材料组
合体，一般具备传感、制动和控制三个基本要素，能够模 仿人类或生物的某些特定行为，对外界信息激励具有较强 的自适应能力。常见的智能材料有形状记忆材料、电致伸 缩材料、电流变与磁流变材料等。
12 11 12 0
0
0

012
12
0
11
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0
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0 0
0
0

0
0
0
0
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0
0 0 0 0 0 44
其中， 11 ——纵向压阻系数
12 ——横向压阻系数
44 ——剪切压阻系数
求任意晶向的压阻系数，如图所示。
图中1、2、3为单晶硅晶格的主轴方向， 在任意方向P形成压敏电阻，电阻沿此 方向变化，故该方向为电阻的主方向， 也称纵向，与P垂直的方向为Q方向。 如有应力σ∥沿此方向作用在压敏电阻 上，称此应力为纵向应力。要求此应 力在压敏电阻纵向P引起的纵向压阻系 数π∥，则必须将压阻系数矩阵中各压 阻系数分量全部投影到P方向。
12 2 11 12 44 l12l22 m12m22 n12n22
式中，l2、m2、n2为Q方向（即2’轴）在标准立方晶格坐标系
的方向余弦。
如单晶硅在此晶向（也是电流流过方向）同时有纵向和横 向应力，则电阻变化率为
R R

// //

典型微传感器之微压力传感器
压阻式压力传感器
压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的一种物 性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微 型化和集成化等。
单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这 种现象被称为压阻效应。
R l
S
dR


s
dl

l
s2
ds

l s
d
定义新坐标系1’、2’、3’，设P方向 （即1’）在标准的立方晶格坐标系中的
方向余弦为l1、m1、n1，则投影结果为
// 11 2 11 12 44 l12m12 m12n12 l12n12
若有应力σ⊥沿Q方向作用在单晶硅上，称此应力为横向应力， 此应力在单晶硅P向引起的横向压阻系数π⊥为
约数的整数，用h、k、l表示。
h k l ——表示晶向
规定： (h k l) ——表示晶面
h k l ——表示晶面族
〈001〉
〈100〉
〈010〉
单晶硅的压阻系数
将单晶硅沿三个晶轴方向取出一微 单元，其应力分量共9个，但剪切应 力总是两两相等，即
23 32 ,31 13,12 21
便于集成化和多功能化。
微传感器的优点
微传感器的集成化一般有三种情况：
将微传感器与后级的放大电路、运算电路、温度补偿电路
等集成在一起，实现一体化；
将同一类微传感器集成于同一芯片上，构成阵列式微传感
器；
将几个微传感器集成在一起，构成一种新的微传感器。
传感器的多功能化是与集成化对应的一个概念，指微传感 器能感知与转换两种以上不同的物理或化学参量。
因此在（100）面内﹤011﹥晶向的横向为 0 11
则﹤011﹥晶向的方向余弦为：
l1 0, m1
1 12 12

1 2
,
n1

1 1 12 12 2
0 11 晶向的方向余弦为
l2 0, m2
1 (1)2 12

1 2
, n2

1
1
(1)2 12 2
4）单晶硅是正立方晶体，考虑其对称性，则有：
正向压阻效应应该相等： 11 22 33
横向压阻效应应该相等：
12 21 13 31 23 32 剪切压阻效应应该相等： 44 55 66
故压阻系数矩阵为
11 12 12 0 0 0
dR dl ds d Rls
对半导体材料
dR d E R
式中，π——压阻系数,与晶向有关。
晶向的表示方法
压阻式传感器基片是半导体单晶硅，是各向异性材料。外加 力的方向不同，压阻系数变化很大。 晶体的取向是用晶向表示的。晶向是指晶面的法线方向，如 图。其表示方法有两种： 1）截距式
2）正向应力不可能产生剪切压阻效应，故
41 42 43 51 52 53 61 62 63 0
3）剪切应力只能在剪切应力作用方向所在平面内产 生压阻效应，故
45 46 54 56 64 65 0
微传感器之微加工技术
由于微机电系统中使用最多的材料是硅，所以对硅的微加 工是微机电系统中的重要部分。这部分技术很多与集成电 路制造中常用的技术是通用的，如氧化、掺杂、光刻、腐 蚀、沉积等。但为了满足微机电系统所要求的器件，还有 一些独特的加工技术和新的加工方法，如LIGA技术、键 合技术、准分子激光加工技术等。
第六讲 微传感器
微传感器概述
传感器微型化是当今传感器技术的主要发展方向之一，也 是微机电系统（MEMS）技术发展的必然结果。