MEMS傳感器

概述

截止到2010年，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中MEMS傳感器占相當大的比例。

MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。

應用

1.應用于醫療

MEMS傳感器應用于無創胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地區無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經常性、重復性的檢查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無創胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最后輸出處理結果。

基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動分析結果，醫生對該結果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。[1]

2.應用在汽車電子

MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋應用在汽車中的MEMS傳感器方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經典力學定律，通常由懸掛系統和檢測質量組成，通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產品。微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統，主要有振動式、轉子式等幾種。應用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質量塊在被基座帶動旋轉時產生的哥氏效應來感測角速度。例如汽車在轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道，通常，它與低加速度計一起構成主動控制系統。

 3.應用于運動追蹤系統

在運動員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結果分析，反復比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。

在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數據外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

研究現狀

1、微機械壓力傳感器

微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造。從敏感膜結構來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%～0.01%,年穩定性達0.1%/F.S,溫度誤差為0.0002%,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上,并能進行大范圍下的全溫補償。現階段微機械壓力傳感器的主要發展方向有以下幾個方面。

(1)將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。

(2)進一步提高壓力傳感器的靈敏度，實現低量程的微壓傳感器。

(3)提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。

(4)開發諧振式壓力傳感器。

2、微加速度傳感器

硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型。

國內在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學微電子所開發的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結構為高度對稱的4角支撐質量塊形式，在質量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。

3、微機械陀螺

角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統的陀螺儀是利用高速轉動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結構復雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導航方面，而難以在一般的運動控制系統中應用。實際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車牽引控制系統、攝象機的穩定系統、醫用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性鼠標、軍事等領域有廣泛的應用前景。常見的微機械角速度傳感器有雙平衡環結構，懸臂梁結構、音叉結構、振動環結構等。但是，實現的微機械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導航系統所需的0.1°/h相差尚遠。

4、微流量傳感器

微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量???級，而且死區容量小，響應時間短，適合于微流體的精密測量和控制。目前國內外研究的微流量傳感器依據工作原理可分為熱式(包括熱傳導式和熱飛行時間式)、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉換為梁表面彎曲應力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm,在10ml～200ml/min的氣體流量下,線性度優于5%。

5、微氣體傳感器

根據制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關，因而要同時制作加熱元件和溫度探測元件，以監測和控制溫度。MEMS技術很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體傳感器優良性能的發揮。

諧振式氣敏傳感器不需要對器件進行加熱，且輸出信號為頻率量，是硅微氣敏傳感器發展的重要方向之一。北京大學微電子所提出的1種微結構氣體傳感器，由硅梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。硅梁被置于被測氣體中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO2氣體濃度的檢測實驗表明，在0×10～1×10的范圍內有較好的線性，濃度檢測極限達到1×10，當工作頻率是19kHz時，靈敏度是1.3Hz/10。德國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到-0.099Hz/10的靈敏度。

6、微機械溫度傳感器

微機械傳感器與傳統的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點，其固有熱容量僅為10J/K～10J/K，使其在溫度測量方面具有傳統溫度傳感器不可比擬的優勢。我所開發了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器。基于硅和二氧化硅兩種材料熱膨脹系數的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重復性誤差為1.63%，精度為1.9%。

7、其他微機械傳感器

利用微機械加工技術還可以實現其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度傳感器，浙江大學研制的力平衡微機械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機械力敏傳感器等。

分類

MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測流量范圍廣，適用于各種需求的流量計測。

MEMS壓力傳感器：性能偏差小的MEMS壓力傳感器。

MEMS非接觸溫度傳感器：對靜止人體也能檢測，高靈敏度的人體感應傳感器。

MEMS開關：高頻，小型，長壽命的MEMS開關。