现代传感技术第6章课件.ppt

1、基于MEMS的微传感技术v 6.1 用于微传感器的用于微传感器的MEMS器件制作技术器件制作技术v 6.2 力学微传感器力学微传感器 微压力传感器微压力传感器 微加速度计微加速度计 微陀螺仪微陀螺仪v 6.3 光学微传感器光学微传感器 微光开关微光开关 微光机电系统型光开关微光机电系统型光开关v 6.4 微流量传感器微流量传感器用于微传感器的MEMS器件制作技术v MEMS主要是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、主要是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及微电信号处理和控制电路为一体的自动化、微型执行器以及微电信号处理和控制电路为一体的自动化、智能化微型器件或系统，将电子系统

2、与外部世界有机地联智能化微型器件或系统，将电子系统与外部世界有机地联系起来。系起来。v 常用的制作常用的制作MEMS器件的技术主要有：器件的技术主要有：（1）传统机械加工）传统机械加工（2）硅基微加工）硅基微加工（3）LIGAMEMS器件制造中的几种主流技术v 超精密加工及特种加工超精密加工及特种加工v 表面微加工技术表面微加工技术v 体微加工技术体微加工技术v LIGA技术技术超精密加工及特种加工v 微机电系统制造技术中采用的超精密加工技术主要有以下微机电系统制造技术中采用的超精密加工技术主要有以下几种几种：（1）微钻孔加工）微钻孔加工 （2）微细磨削）微细磨削 （3）微铣削加工）微铣削加工

3、 （4）研磨、抛光加工）研磨、抛光加工 （5）微细电火花加工）微细电火花加工 （6）微细电解加工）微细电解加工 （7）高能束加工）高能束加工 表面微加工技术v 表面微加工技术的基本工艺过程表面微加工技术的基本工艺过程:体微加工技术v 体微加工技术（体微加工技术（Bulk Micromachining）出现于）出现于20世纪世纪60年代早期，是最早在生产中得到应用的技术，应用也最为年代早期，是最早在生产中得到应用的技术，应用也最为广泛。广泛。v 体微加工技术是为制造微三维结构而发展起来的，即按照体微加工技术是为制造微三维结构而发展起来的，即按照设计图在硅片（或其他材料）上有选择地去除一部分硅材设

4、计图在硅片（或其他材料）上有选择地去除一部分硅材料，形成微机械结构，它是料，形成微机械结构，它是MEMS技术中最成熟的，已广技术中最成熟的，已广泛用于硅微加速度器、流体传感器、墨水喷嘴和微阀等。泛用于硅微加速度器、流体传感器、墨水喷嘴和微阀等。v 制造集成微电子系统的技术主要包括：晶体生长于制造基制造集成微电子系统的技术主要包括：晶体生长于制造基片、薄膜制备、光刻、刻蚀、切片、封装等。片、薄膜制备、光刻、刻蚀、切片、封装等。v 体微加工技术的关键技术是刻蚀，即通过腐蚀对材料的某体微加工技术的关键技术是刻蚀，即通过腐蚀对材料的某些部分有选择地去除，使被加工对象显露出一定的几何结些部分有选择地去除

5、，使被加工对象显露出一定的几何结构特征。构特征。LIGA技术v LIGA是利用是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构。深层微结构。v LIGA技术首先利用同步辐射技术首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所需射线光刻技术光刻出所需要的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻图形相反的金要的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。属模具，再利用微塑铸制备微结构。v LIGA技术补偿了表面微机械加工技术的不足。技术补偿了表面微机械加工技术的不足。v LIGA技术的技术的3个主要工艺是：个主要工艺是：X光掩模板的制造光

6、掩模板的制造 X光深度光刻技术光深度光刻技术 微电铸技术微电铸技术 1.微压力传感器v 高温电容式压力传感器：高温电容式压力传感器：2.微加速度计v 加速度计一般用来检测振动。若被测振动为加速度计一般用来检测振动。若被测振动为 那么加速度为那么加速度为 质量质量m 的运动微分方程为的运动微分方程为 式中，式中，k为弹簧的刚度系数；为弹簧的刚度系数；c为阻尼系数为阻尼系数.2.微加速度计如果令质量块的相对位移为如果令质量块的相对位移为 代入微分方程，可得代入微分方程，可得则质量块位移的振动稳态解为则质量块位移的振动稳态解为式中，式中，当固有频率远高出被测频率时，且当固有频率远高出被测频率时，且l

7、 l很小，则加速度计输出很小，则加速度计输出值值y正比于被测物体加速度幅值。正比于被测物体加速度幅值。2.微加速度计3.微陀螺仪v 微陀螺仪根据驱动与检测方式分为微陀螺仪根据驱动与检测方式分为4种：种：静电驱动，电容检测；静电驱动，电容检测；电磁驱动，电容检测；电磁驱动，电容检测；电磁驱动，压阻检测；电磁驱动，压阻检测；压电驱动，电容检测。压电驱动，电容检测。v 静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见。静电驱动、电容检测的陀螺仪设计最为常见。v 微陀螺仪有框架式、音叉式、振动轮式、振动棒式以及四微陀螺仪有框架式、音叉式、振动轮式、振动棒式以及四叶式等多种结构叶式等多种结构。3.微陀螺仪v 微机

8、械双框架角振动陀螺仪微机械双框架角振动陀螺仪微光开关v 1.液晶光开关液晶光开关 液晶光开关利用液晶材料的电光效应，通过电场控制液晶分子的液晶光开关利用液晶材料的电光效应，通过电场控制液晶分子的方向改变，从而实现开关功能。方向改变，从而实现开关功能。v 2.热光效应开关热光效应开关 热光技术主要用来制造微小的基本型光开关，如热光技术主要用来制造微小的基本型光开关，如12，22等。等。现在主要有两种类型的热光开关，干涉型光开关和数字光开关。现在主要有两种类型的热光开关，干涉型光开关和数字光开关。前者利用前者利用M-Z干涉原理，后者利用材料在一定温度内性能稳定的干涉原理，后者利用材料在一定温度内性

9、能稳定的特点。特点。v 3.声光开关声光开关 声光光开关是利用介质的声光效应，其基本原理可以描述为声光光开关是利用介质的声光效应，其基本原理可以描述为,控制控制电信号经换能器电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可以引起光的偏射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可以引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。微光开关v 4.磁光开关

10、磁光开关 磁光开关原理是利用法拉第效应，通过外加磁场的变化来改变磁磁光开关原理是利用法拉第效应，通过外加磁场的变化来改变磁光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的作用。光晶体对入射偏振光偏振面的作用，从而达到切换光路的作用。v 5.气泡光开关气泡光开关 工作的基本原理是，当入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片工作的基本原理是，当入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小气泡，小气泡将光从入射波导中的光信号会在液体中产生一个小气泡，小气泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。v 6.全息光开

11、关全息光开关 全息光开关是通过全息反射，在晶体内部形成布喇格光栅。当加全息光开关是通过全息反射，在晶体内部形成布喇格光栅。当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶电时，布拉格光栅把光反射到输出端口，反之，光就直接通过晶体。利用这种技术可以很容易地组成上千端口的光交换系统，并体。利用这种技术可以很容易地组成上千端口的光交换系统，并且它的开关速度非常快，只需几个纳秒就可以把一个波长交换到且它的开关速度非常快，只需几个纳秒就可以把一个波长交换到另一个波长。另一个波长。微光开关v 7.马赫马赫-曾德尔光开关曾德尔光开关 通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一通常在

12、铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个个3dB的的Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应发生变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。使光程相应发生变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。微光机电系统型光开关v 1.遮挡型遮挡型MOEMS光开关光开关v 2.移动光纤对接型移动光纤对接型MOEMS光开关光开关v 3.微镜反射型微镜反射型MOEMS光开关光开关微光机电系统型光开关v AT&T研制的弹出式光开关研制的弹出式光开关:微光机电系统型光开关v 日本和法国共同研制的扭转式光开关日本和法国共同研制的扭转式光开关（图）（图）