一种高灵敏度mems温度传感器的研究
摘 要众所周知，温度是一个最基本的物理量。在当今社会的科学及研究、工农业发展、平时生活等各个方面都有温度传感器的运用。而对比传统传感器，运用MEMS（微机电系统）技术的温度传感器已成为一个近年来发展的新方向。在这个环境下，本论文研究讨论了一种基于硅材料压阻效应的微机电系统温度传感器——压阻式MEMS双层薄膜温度传感器。 压阻式双层膜温度传感器的结构：在硅材料中离子注入压敏电阻，呈惠斯通电桥分布，并且沉淀聚积温敏聚合物。当温度改变时，薄膜产生变形，随之硅微桥产生相应形变，由于压阻效应，材料电阻值发生变化，经过对惠斯通电桥输出的采集统计，就能够根据电压值的改变推算相应温度值的变化。本文研究讨论了双层膜温度传感器中两层不同材料产生应力时的理想模型，并结合相关公式推算出产生阻值变化的温度变化，并得出双层膜形变的微分方程，通过对微分方程的推导及演算，得出传感器感应温度变化的输出表达式。根据该模型，进而研究传感器最为优化的尺寸、材料等参数设置：当选取厚度教小、热膨胀系数相对差值较大的材料时，所制作的传感器性能较好，灵敏度高。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1 章 绪论 1
1.1温度传感器 1
1.1.1 温度传感器简介 1
1.1.2 温度传感器种类及参数 2
1.2 MEMS概述 2
1.2.1 MEMS 简介 2
1.2.2 MEMS技术与MEMS温度传感器 3
1.3 本论文主要工作 4
1.3.1 研究背景 4
1.3.2 论文主要内容 4
1.3.3论文结构 4
第 2 章 双层膜压阻式温度传感器的原理 6
2.1 传感器结构描述 6
2.2 压阻式温度传感器工作原理 6
2.2.1 温度应力 6
2.2.2 双金属效应 7
2.3 压阻效应及压阻式温度传感器 9
2.3.1 压阻效应 9
2.3.2 压阻式温度传感器 11
2.4 本章小结 13
第 3 章 双层膜温度传感器模型分析
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14
3.1 传感器微分方程 14
3.2 双层膜表面的应力分布 16
3.3 传感器的输出 18
3.4 传感器输出影响因素 19
3.5 本章小结 20
第 4 章 双层膜温度传感器模型仿真分析 22
4.1 仿真模型建立及仿真 22
4.1.1 仿真软件——ANSYS 22
4.1.2 建模仿真过程 23
4.2 仿真材料及环境 25
4.2.1 仿真材料 25
4.2.2 仿真环境 25
4.3 仿真结果统计与分析 26
4.4 实验数据与理论验证 29
4.5 结论及小结 29
第 5 章 总结及展望 30
5.1 总结 30
5.2展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 35
第1 章 绪论
随着21世纪的到来，电子技术与信息技术飞速发展，伴随着对电子信息与日剧增的需求，对信息的处理能力和传输的能力都提出了更高的要求。因此，现今电子信息的主要流程手段：信息采集、信息传输、信息处理，也需要加快发展的速度从而适应信息技术的发展要求。在如今的信息化时代背景下，传感器就发挥着器官的作用。而随着近年来信息技术的飞速发展，更是在日常生活中起到了巨大的作用，但与其矛盾的，传感器在结构与技术上的进步却没有跟上信息技术发展的脚步，拖缓了信息技术的整体发展。因此，传感器的研究与制作技术的提升将更好的提升信息化的进程，使电子技术更加快速的发展。
1.1温度传感器
1.1.1 温度传感器简介
温度，作为自然界一个基础的物理量，在当今社会与生活的各个方面都极为重要。工农业生产中，温度是一个很多时候都需要检测掌握的参数，像在很多化学试验中，温度就决定了反应能否发生以及反应的程度。因为化合价的变化及催化剂的活性通常都受到温度环境的影响。因此，在日常生产中，温度大都需要准确测量并加以控制，许多反应的发生都需要详细了解反应的整个过程中温度的变化情况。除此之外，除了工业、交通、家电、医学等方面的直接应用，在其他领域的间接应用也通常需要准确的温度测量。因此，在每年统计的传感器销售额中，温度传感器的销售量很大程度上领先于其他类型的传感器。很容易看出，温度传感器对信息化的构建是不可或缺的。当下已经存在很多种类的温度传感器，但随之社会发展，我们仍然需要提升温度传感器的性能，以达到微型化、数字化。
对比其他类型的传感器，温度传感器属于很早就被开发研究的，时间可以追溯到17世纪。在那时，便有人已经利用一些对温度变化敏感的材料对温度的改变与状态进行感知。而如今，温度的感知与获取都是间通过接测量的方式进行，主要就是借由对一些温度敏感材料感应环境温度改变而产生的相应变化特征值的获取，进而推算出温度本身的变化。在检测中经常用到的有：热膨胀、热电阻等。
对于温度传感器，经常用到的参数包括：量程（工作时可以接受的最大温度变化范围）、线性度（元件感温特征量与被测物关系曲线）、灵敏度（元件特征量随温度变化而变化的程度）。
1.1.2 温度传感器种类及参数
温度传感器发展历史悠久，主要的种类有：
（1） 金属（半导体）热敏电阻传感器 特点：线性以及稳定性好，价格便宜，但体积较大，对工作电源要求高。
（2） 热电偶温度传感器 特点：工作温区宽且不需要工作电源，但灵敏度低 需要补。
（3） PN节温度传感器 特点：灵敏度高 功耗低 对电源要求低 但一致性较差，使用不方便。
温度传感器有很多与其相关的性能参数，主要参数有：
（1） 量程：传感器能够正常工作所允许的最大温度变化范围，量程越大，适用性越高。
（2） 线性度：感温特征量与环境温度的关系曲线，称为温度传感器的线性度，线性度良好的传感器要求曲线斜率适当，以保证传感器的灵敏度与稳定性。
（3） 灵敏度：温度传感器特征量随温度变化而变化的程度被定义为温度传感器的灵敏度。
1.2 MEMS概述
1.2.1 MEMS 简介
MEMS（Micro Electro Mechanical System）微机电系统【13】，最早来源于1989年美国国家自然科学基金会主办的微机械加工技术讨论会的总结报告。在其发展历史上，有几次突破性的进展，主要有：
七十年代 ——使用微机械技术成功制作压力传感器
八十年代 ——研制出硅静电微马达
九十年代 ——开发出硅加速度计和数字微镜器件
而如今已经广泛的应用于高新技术产业。与传统的微电子加工技术相比，MEMS技术体积小、重量轻、耗能低、惯性小、集成化高。因此，在制造业、生物医疗、航空航天、电子通讯方面都有不同程度的应用。
1.2.2 MEMS技术与MEMS温度传感器
MEMS技术的逐步成熟使得微传感器（敏感元件特征尺寸从几微米到几毫米）得以实现。因而微传感器也一直是MEMS技术的研究重点之一，随着技术的革新和功能的拓展，越来越多的传感器开始采用微机械的设计理念和加工技术，不断向着标准化、集成化、智能化的方向进步着。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1 章 绪论 1
1.1温度传感器 1
1.1.1 温度传感器简介 1
1.1.2 温度传感器种类及参数 2
1.2 MEMS概述 2
1.2.1 MEMS 简介 2
1.2.2 MEMS技术与MEMS温度传感器 3
1.3 本论文主要工作 4
1.3.1 研究背景 4
1.3.2 论文主要内容 4
1.3.3论文结构 4
第 2 章 双层膜压阻式温度传感器的原理 6
2.1 传感器结构描述 6
2.2 压阻式温度传感器工作原理 6
2.2.1 温度应力 6
2.2.2 双金属效应 7
2.3 压阻效应及压阻式温度传感器 9
2.3.1 压阻效应 9
2.3.2 压阻式温度传感器 11
2.4 本章小结 13
第 3 章 双层膜温度传感器模型分析
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14
3.1 传感器微分方程 14
3.2 双层膜表面的应力分布 16
3.3 传感器的输出 18
3.4 传感器输出影响因素 19
3.5 本章小结 20
第 4 章 双层膜温度传感器模型仿真分析 22
4.1 仿真模型建立及仿真 22
4.1.1 仿真软件——ANSYS 22
4.1.2 建模仿真过程 23
4.2 仿真材料及环境 25
4.2.1 仿真材料 25
4.2.2 仿真环境 25
4.3 仿真结果统计与分析 26
4.4 实验数据与理论验证 29
4.5 结论及小结 29
第 5 章 总结及展望 30
5.1 总结 30
5.2展望 31
致谢 32
参考文献 33
附录 35
第1 章 绪论
随着21世纪的到来，电子技术与信息技术飞速发展，伴随着对电子信息与日剧增的需求，对信息的处理能力和传输的能力都提出了更高的要求。因此，现今电子信息的主要流程手段：信息采集、信息传输、信息处理，也需要加快发展的速度从而适应信息技术的发展要求。在如今的信息化时代背景下，传感器就发挥着器官的作用。而随着近年来信息技术的飞速发展，更是在日常生活中起到了巨大的作用，但与其矛盾的，传感器在结构与技术上的进步却没有跟上信息技术发展的脚步，拖缓了信息技术的整体发展。因此，传感器的研究与制作技术的提升将更好的提升信息化的进程，使电子技术更加快速的发展。
1.1温度传感器
1.1.1 温度传感器简介
温度，作为自然界一个基础的物理量，在当今社会与生活的各个方面都极为重要。工农业生产中，温度是一个很多时候都需要检测掌握的参数，像在很多化学试验中，温度就决定了反应能否发生以及反应的程度。因为化合价的变化及催化剂的活性通常都受到温度环境的影响。因此，在日常生产中，温度大都需要准确测量并加以控制，许多反应的发生都需要详细了解反应的整个过程中温度的变化情况。除此之外，除了工业、交通、家电、医学等方面的直接应用，在其他领域的间接应用也通常需要准确的温度测量。因此，在每年统计的传感器销售额中，温度传感器的销售量很大程度上领先于其他类型的传感器。很容易看出，温度传感器对信息化的构建是不可或缺的。当下已经存在很多种类的温度传感器，但随之社会发展，我们仍然需要提升温度传感器的性能，以达到微型化、数字化。
对比其他类型的传感器，温度传感器属于很早就被开发研究的，时间可以追溯到17世纪。在那时，便有人已经利用一些对温度变化敏感的材料对温度的改变与状态进行感知。而如今，温度的感知与获取都是间通过接测量的方式进行，主要就是借由对一些温度敏感材料感应环境温度改变而产生的相应变化特征值的获取，进而推算出温度本身的变化。在检测中经常用到的有：热膨胀、热电阻等。
对于温度传感器，经常用到的参数包括：量程（工作时可以接受的最大温度变化范围）、线性度（元件感温特征量与被测物关系曲线）、灵敏度（元件特征量随温度变化而变化的程度）。
1.1.2 温度传感器种类及参数
温度传感器发展历史悠久，主要的种类有：
（1） 金属（半导体）热敏电阻传感器 特点：线性以及稳定性好，价格便宜，但体积较大，对工作电源要求高。
（2） 热电偶温度传感器 特点：工作温区宽且不需要工作电源，但灵敏度低 需要补。
（3） PN节温度传感器 特点：灵敏度高 功耗低 对电源要求低 但一致性较差，使用不方便。
温度传感器有很多与其相关的性能参数，主要参数有：
（1） 量程：传感器能够正常工作所允许的最大温度变化范围，量程越大，适用性越高。
（2） 线性度：感温特征量与环境温度的关系曲线，称为温度传感器的线性度，线性度良好的传感器要求曲线斜率适当，以保证传感器的灵敏度与稳定性。
（3） 灵敏度：温度传感器特征量随温度变化而变化的程度被定义为温度传感器的灵敏度。
1.2 MEMS概述
1.2.1 MEMS 简介
MEMS（Micro Electro Mechanical System）微机电系统【13】，最早来源于1989年美国国家自然科学基金会主办的微机械加工技术讨论会的总结报告。在其发展历史上，有几次突破性的进展，主要有：
七十年代 ——使用微机械技术成功制作压力传感器
八十年代 ——研制出硅静电微马达
九十年代 ——开发出硅加速度计和数字微镜器件
而如今已经广泛的应用于高新技术产业。与传统的微电子加工技术相比，MEMS技术体积小、重量轻、耗能低、惯性小、集成化高。因此，在制造业、生物医疗、航空航天、电子通讯方面都有不同程度的应用。
1.2.2 MEMS技术与MEMS温度传感器
MEMS技术的逐步成熟使得微传感器（敏感元件特征尺寸从几微米到几毫米）得以实现。因而微传感器也一直是MEMS技术的研究重点之一，随着技术的革新和功能的拓展，越来越多的传感器开始采用微机械的设计理念和加工技术，不断向着标准化、集成化、智能化的方向进步着。
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