新型微纳传感器技术

第1章传感器的基本概念 1

1.1传感器的定义 1

1.2传感器的组成 1

1.3传感器的分类 2

1.4传感器的地位与作用 2

1.5传感器的发展动向 3

第2章传感器的特性 5

2.1传感器的静态特性 5

2.1.1测量范围、量程和满量程输出 5

2.1.2分辨力、阈值和灵敏度 6

2.1.3迟滞 7

2.1.4重复性 8

2.1.5线性度 9

2.1.6零漂与温漂 13

2.1.7总精度 14

2.2传感器的动态特性 18

2.2.1传感器动态响应的基本特点 18

2.2.2传递函数与频响特性 20

2.2.3一阶系统的动态响应 23

2.2.4二阶系统的动态响应 26

2.2.5高阶系统的动态响应 31

2.2.6传感器动态响应的指标 31

2.2.7实验确定传递函数的方法 33

第3章MEMS压阻式传感器 38

3.1概述 38

3.2压阻效应 40

3.2.1压阻效应的定义与特点 40

3.2.2晶面与晶向 41

3.2.3压阻系数 42

3.3压阻式压力传感器 48

3.3.1平膜结构的力敏电阻电桥设计 48

3.3.2梁-岛膜结构的力敏电阻电桥设计 56

3.4MEMS压阻式微加速度计 62

3.4.1硅微加速度计概述 62

3.4.2MEMS压阻式加速度计测量原理 62

3.4.3复合多梁MEMS压阻式加速度计 64

3.4.4孔缝结构MEMS压阻式加速度计 67

3.4.5高g值MEMS加速度计 69

参考文献 72

第4章高温压力传感器 74

4.1耐高温压力传感器的应用需求和主要技术方法 74

4.1.1耐高温压力传感器的应用需求 74

4.1.2耐高温压力传感器主要技术方法 75

4.2SOI高温压力传感器 78

4.2.1SOI压阻传感器的耐高温工作原理 78

4.2.2合理掺杂浓度的设计 79

4.2.3SOI耐高温敏感元件的制作工艺 81

4.3耐高温压力传感器的典型封装形式 84

4.3.1绝压与表压的芯片级封装 84

4.3.2齐平膜高频响结构——倒杯式和C型杯式 85

4.3.3高可靠性充油封装 85

4.3.4微型化无引线封装 86

4.4SiC耐高温压力传感器敏感元件研制 87

4.4.1SiC材料特性 87

4.4.24H-SiC高温压力传感器芯片设计 89

4.4.34H-SiC高温压力传感器芯片制备 91

参考文献 94

第5章MEMS振梁式谐振传感器 96

5.1谐振式传感器概述 96

5.1.1概述 96

5.1.2谐振现象与传感器 97

5.1.3特征和优势 98

5.2谐振式传感器的敏感机理及信号检测方式 99

5.2.1谐振敏感元件 99

5.2.2敏感机理 100

5.2.3信号检测方式 105

5.3典型的振梁式谐振加速度传感器结构及其工作原理 106

5.3.1硅振梁式谐振加速度传感器 106

5.3.2石英振梁式谐振加速度传感器 110

5.4典型的振梁式谐振压力传感器结构及其工作原理 117

5.4.1硅振梁式谐振压力传感器 117

5.4.2石英振梁式谐振压力传感器 121

参考文献 122

第6章MEMS陀螺技术 124

6.1微机械陀螺的原理、分类与性能 125

6.1.1科里奥利效应 125

6.1.2微机械陀螺的分类 126

6.1.3微机械陀螺的性能指标 127

6.2振梁式硅MEMS陀螺分析 129

6.2.1音叉式硅微机械陀螺 129

6.2.2振动轮式硅微机械陀螺 130

6.3石英音叉微机械陀螺 131

6.3.1石英音叉陀螺的工作原理 131

6.3.2驱动与检测原理 133

6.3.3驱动稳幅稳频振动控制技术 134

6.3.4角速度（电荷）检测技术 139

6.3.5几种典型的石英音叉陀螺 139

参考文献 141

第7章智能加工切削力传感器 143

7.1切削力概述 143

7.1.1切削力的来源 143

7.1.2切削力测量的重要性 144

7.2切削力传感器的研究与发展 144

7.2.1切削力传感器研究早期探索阶段 144

7.2.2切削力传感器快速发展阶段 145

7.2.3切削力传感器商业化阶段 147

7.2.4智能刀具切削力传感器 148

7.3集成化三维车削力传感器设计制造与测试 150

7.3.1传感器设计原理与方法 150

7.3.2传感器制造与封装技术 157

7.3.3传感器性能测试与分析 160

参考文献 164

第8章基于非晶碳薄膜压阻效应的新型压力传感器 166

8.1非晶碳膜压阻材料基础 166

8.1.1非晶碳膜材料表征 166

8.1.2非晶碳膜制备工艺研究 168

8.1.3非晶碳膜性能研究 170

8.2非晶碳膜的MEMS压阻式微压力传感器设计及加工 173

8.2.1非晶碳膜微压力传感器设计 173

8.2.2传感器芯片的封装方案设计 175

8.3基于非晶碳膜的MEMS压阻式微压力传感器性能测试 176

8.3.1静态性能测试 176

8.3.2时间/温度漂移测试 177

参考文献 177

第9章MEMS微爆轰测试传感器 179

9.1爆压测试方法 179

9.1.1动量守恒法 180

9.1.2阻抗匹配法 181

9.2MEMS微爆轰压力传感器 188

9.2.1爆压测试方法分析 188

9.2.2MEMS微爆轰压力传感器设计 189

9.2.3传感器动态标定 190

9.2.4微爆轰实验测试 191

9.3爆速测试方法 193

9.3.1离散法 193

9.3.2连续法 195

9.4MEMS微爆轰速度传感器 196

9.4.1爆速测试方法分析 197

9.4.2MEMS微爆轰速度传感器设计 197

9.4.3MEMS微爆轰速度传感器实验测试 198

9.4.4爆速测试数据处理 199

参考文献 200

第10章大输出位移电热微执行器 202

10.1微执行器概述 202

10.1.1微执行器基本概念 202

10.1.2微执行器国内外研究现状 203

10.2大输出位移电热微执行器驱动机理与结构设计 207

10.2.1电热微执行器类型 207

10.2.2电热微执行器驱动原理 208

10.2.3位移放大机构设计 218

10.3大输出位移电热微执行器的应用 221

10.3.1基于三角放大机构的电热执行器 221

10.3.2基于柔性杠杆放大机构的电热执行器 222

10.3.3基于微弹簧放大机构的电热执行器 224

参考文献 226

第11章超高温传感技术 228

11.1引言 228

11.2薄膜热电偶测温技术 228

11.2.1金属型薄膜热电偶测温技术 228

11.2.2氧化物型薄膜热电偶测温技术 235

11.2.3大曲率涡轮叶片薄膜温度传感研究 238

参考文献 243

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本书围绕微纳传感与测试技术的知识架构，阐述微纳传感器的基本原理、优势特点与应用。本书主要介绍单晶硅压阻原理、加速度传感器、压力传感器、谐振传感器、机床刀具测力和振动传感器、薄膜测力传感器、爆轰爆速传感器、MEMS电热执行器、气体传感器等典型微纳传感器的设计与制造方法。

本书可供高等院校传感器技术、微机电系统、测控技术与仪器、自动化工程、机电一体化及仪器仪表等专业的师生作为教材使用，也可供从事传感器、MEMS、仪器仪表等相关专业的技术人员学习参考。