MEMS傳感器的發(fā)展

1、MEM轉(zhuǎn)感器的現(xiàn)狀及應(yīng)用0引言MEMS （微電子機(jī)械系統(tǒng)）傳感器是利用集成電路技術(shù)工藝和微機(jī)械加工方法 將基于各種物理效應(yīng)的機(jī)電敏感元器件和處理電路集成在一個(gè)芯片上的傳感器。 20世紀(jì)60年代霍尼韋爾研究中心和貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出首個(gè)硅隔膜壓力傳感器和 應(yīng)變計(jì)開(kāi)創(chuàng)了 MEMSfe術(shù)的先河。此后，MEMSfe術(shù)的快速發(fā)展使得 MEM及感器 受到各發(fā)達(dá)國(guó)家的廣泛關(guān)注，與此同時(shí)，美國(guó)、俄國(guó)、日本等世界大國(guó)將MEMS傳感器技術(shù)作為戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域之一，紛紛制定相關(guān)的計(jì)劃并投入巨資進(jìn)行專 項(xiàng)研究。MEMS專感器具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、靈敏度高、可靠性高、易于集 成以及耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，從而促進(jìn)了傳感

2、器向微型化、智能化、多功能化 和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。步入21世紀(jì)以后，MEMS感器正逐步占據(jù)傳感器市場(chǎng)， 并逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位， 在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、 機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域備受青睞。MEMS專感器的分類及原理MEM滕感器種類繁多，按照測(cè)量性質(zhì)可以分為物理MEMS感器、化學(xué)MEMS 傳感器、生物MEM及感器。按照被測(cè)的量又可分為加速度、角速度、壓力、位 移、流量、電量、磁場(chǎng)、紅外、溫度、氣體成分、濕度、 pH值、離子濃度、生 物濃度及觸覺(jué)等類型的傳感器。目前， MEMSE力傳感器、MEMS口速度計(jì)、MEMS 陀螺儀等已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭，航空航天設(shè)備、飛機(jī)、各種

3、車輛、生物醫(yī)學(xué) 及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。MEMS傳感器主要由微型機(jī)光電敏感器和微型信號(hào)處理器組成。前者功能與傳統(tǒng)傳感器相同，主要區(qū)別在于用 MEMSC藝實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的機(jī)光電元器 件的同時(shí)對(duì)敏感元件輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理， 以補(bǔ)償和校正敏感元件特性不理 想和影響量引入的失真，進(jìn)而恢復(fù)真實(shí)的被測(cè)量。精品資料得測(cè)量機(jī)械元件機(jī)械電量電路基片一圖 1.1 MEMS傳感器原理圖MEM滕感器主要用于控制系統(tǒng)。利用 MEM被術(shù)工藝將MEM滕感器、MEMS執(zhí)行器和MEMSS制處理器都集中在一個(gè)芯片上，則所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為MEM片 控制系統(tǒng)。微控制處理器的主要功能包括 A/D和D/A轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)處理

4、和執(zhí)行控制 算法；微執(zhí)行器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成非電量，使被控對(duì)象產(chǎn)生平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、聲、光、 熱等動(dòng)作。MEMS專感器的典型應(yīng)用MEMS壓力傳感器MEMS1力傳感器一般采用壓阻力敏原理，即被測(cè)壓力作用于敏感元件引起 電阻變化，利用恒流源或惠斯頓電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)化成電壓， 是目前應(yīng)用最為廣 泛的傳感器之一，其性能由測(cè)量范圍、測(cè)量精度、非線性和工作溫度決定。這種 傳感器以單晶硅作材料，并采用 MEM孩術(shù)在材料中間制成力敏膜片，然后在膜 片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋的方式將應(yīng)變電阻連接成電 路，來(lái)獲得高靈敏度。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)劃分，MEMSE力傳感器可分為壓阻式、電容式和諧振式等；MEMS壓力

5、傳感器在汽車上的應(yīng)用MEMS專感器是在汽車上應(yīng)用最多的微機(jī)電傳感器。汽車上MEMSE力傳感器 可用于測(cè)量氣囊貯氣壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過(guò) 濾系統(tǒng)的流體壓力、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等；也可以使用在制作工藝和電路設(shè)計(jì)上， 低成本而高精度地進(jìn)行大量的生產(chǎn)。精品資料微型硅壓阻式MEMS壓力傳感器可用于發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣循環(huán)系統(tǒng)，替代陶瓷電容 式壓力傳感器；多重壓力 MAP傳感器主要用于汽車電控燃油噴射系統(tǒng) EFI ,監(jiān) 測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力，提高其動(dòng)力性能，降低油耗，減少?gòu)U氣排放。另一 個(gè)極具市場(chǎng)前景的是輪胎氣壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，MEMS1力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設(shè)一小

6、塊感壓力敏芯片，自動(dòng)測(cè)量輪胎氣壓、溫度、轉(zhuǎn)速 和其它一些數(shù)據(jù)，并用特定的代碼發(fā)送出來(lái)。使輪胎始終保持良好的應(yīng)用性能， 可提高安全系數(shù)，縮短制動(dòng)距離 510%,并能降低油耗10%左右。目前，可 以提供MEMSE力傳感器的有美國(guó)凱樂(lè)爾、SSI、菲爾科、日本電裝等公司。MEMS壓力傳感器在石油化工上的應(yīng)用壓力變送器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用最多的測(cè)量裝置之一。在大型的化工項(xiàng)目中，幾乎包含了所有壓力變送器的應(yīng)用： 差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、 高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠(yuǎn)傳法蘭式壓力變送器。石化行業(yè)對(duì)壓力變送器的需求主要集中在可靠性、 穩(wěn)定性和高精度3個(gè)方面。壓力變送器的穩(wěn) 定性和高精度則

7、主要由壓力傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度保證。與壓力變送器的測(cè)量精度相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的測(cè)量精度和響應(yīng)速度，與壓力變送器的穩(wěn)定性相 對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求就體現(xiàn)在測(cè)量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性4個(gè)方面。在煤炭產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的MEM及感器存在著體積大、功耗高、易損壞等特點(diǎn)。 因此，使用傳統(tǒng)壓力傳感器對(duì)這些事故易發(fā)點(diǎn)進(jìn)行壓力檢測(cè)時(shí)往往因?yàn)閭鞲衅黧w 積大導(dǎo)致安裝困難，靈敏度低及分辨率差導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)、 漏報(bào)等現(xiàn)象，以至 于煤礦井下頂板坍塌和透水等事故不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)而造成越來(lái)越多的人員及財(cái)產(chǎn) 損失。隨著MEMSE力傳感器在許多領(lǐng)域的

8、成熟應(yīng)用，煤礦井下壓力傳感器的改 造也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。同時(shí)，該類傳感器在煤礦領(lǐng)域的救生艙、呼吸器類 儀器、井下壓風(fēng)自救系統(tǒng)中將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。MEMS加速度傳感器MEMS加速度傳感器基于牛頓第二定律 f=ma制成的，敏感元件通常由一個(gè) 平行的懸臂梁構(gòu)成，梁的一端固定在邊框架上，另一端固定一個(gè)小質(zhì)量物體塊。精品資料 無(wú)加速度a時(shí)，質(zhì)量塊不運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)有垂直加速度時(shí)，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，對(duì)加速度 a 敏感的力f導(dǎo)致懸臂梁活動(dòng)端位移。按位移檢測(cè)方式不同， MEMSto速度計(jì)有電 阻式、電容式、隧道式、共振式、光纖式等。采用微機(jī)電技術(shù)制造的微加速度傳感器在壽命、可靠性、成本、體積和重 量等方面都要大

9、大優(yōu)于常規(guī)的加速度傳感器， 使得其無(wú)論在民用領(lǐng)域，還是在軍 用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。在軍用上可用于各種飛行裝置的加速度測(cè)量、振動(dòng)測(cè) 量、沖擊測(cè)量，尤其在武器系統(tǒng)的精確制導(dǎo)系統(tǒng)、彈藥的安全系統(tǒng)、彈藥的點(diǎn)火 控制系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。MEMS散加速度計(jì)在汽車上主要用于安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系 統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等。在汽車安全氣囊系統(tǒng)中，MEMS1速度計(jì)可以安裝在不同的地 方用來(lái)判斷多個(gè)信息如識(shí)別碰撞的方向、類型、重力影響等等，保證氣囊系統(tǒng)做 出明確的反映。在汽車防盜系統(tǒng)中，MEMSb 速度計(jì)用來(lái)做傾斜計(jì)，感測(cè)汽車相 對(duì)地面的傾斜度。當(dāng)汽車被盜拖動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)將檢測(cè)到傾斜度的變化， 從而報(bào)

10、 警。MEMS陀螺儀MEMS陀螺儀是一種振動(dòng)式角速率傳感器，具特點(diǎn)是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精準(zhǔn)度較 高。MEMS它螺儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括靈敏度、滿量程輸出、噪聲、帶寬、分辨 率、隨機(jī)漂移和動(dòng)態(tài)范圍等。目前，國(guó)外研制最多的是振動(dòng)式微陀螺儀，利用單 晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來(lái)感測(cè)角速度。 主要用在汽車底盤控制系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航的 GPS信號(hào)補(bǔ)償、以及安全主動(dòng)系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺儀用于測(cè)量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計(jì) 一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂主動(dòng)控制系統(tǒng)就是一旦發(fā)現(xiàn)汽車的狀態(tài)異常，系統(tǒng)在車禍尚未發(fā)生時(shí)及時(shí)糾正這個(gè)異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對(duì)異常狀態(tài)以阻止車禍 的發(fā)生。利用

11、三軸MEMS速度計(jì)的輸出判斷載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用 EKF濾波算法 對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并在濾波算法中應(yīng)用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組合計(jì)算所得的姿態(tài) 信息作為對(duì)陀螺漂移的補(bǔ)償，最后通過(guò)數(shù)據(jù)融合修正其姿態(tài)角，得到一種可以在 載體運(yùn)動(dòng)情況下補(bǔ)償陀螺漂移的姿態(tài)的方法。MEMS專感器的發(fā)展趨勢(shì)精品資料進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在市場(chǎng)引導(dǎo)、科技推動(dòng)、風(fēng)險(xiǎn)投資和政府介入等多重作 用下，MEM滕感器技術(shù)發(fā)展迅速，新原理、新材料和新技術(shù)的研究不斷深入 MEMS 傳感器的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。目前，MEMS專感器正向高精度、高可靠性、多功能 集成化、智能化、微型化和微功耗方向發(fā)展。隨著新型半導(dǎo)體材料和 MEMS工工藝、敏感元件集成設(shè)計(jì)和傳

12、感器結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的不斷突破，新型MEMSE力傳感器不斷推出。開(kāi)發(fā)新型材料用于制作惡劣環(huán) 境下的MEMSE力傳感器是今后的重要研究?jī)?nèi)容。納米管、納米線、納米光纖、 光導(dǎo)、超導(dǎo)和智能材料也將成為制作納米傳感器的材料，MEMS專感器向納米級(jí)發(fā)展的同時(shí)將產(chǎn)生多種傳感器，如氣體、生物和化學(xué)傳感器，使MEM滕感器的種類更加多樣化。借助于新的加工技術(shù)，如先進(jìn)的MEM制作和組裝技術(shù)使MEM滕感器體積更 小、功耗更低且性能更高。利用專門的集成設(shè)計(jì)和工藝，如與CMO兼容的MEMS加工技術(shù)和芯片上集成系統(tǒng)技術(shù)可把構(gòu)成傳感器的敏感元件和電路元件制作在 同一芯片上，能夠完成信號(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理，構(gòu)成功能強(qiáng)大的智能傳感器，滿

13、足 傳感器微型化和集成化的要求。4結(jié)論MEM轂感器一直是研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，是各國(guó)大力發(fā)展的核心和前沿技術(shù), 引起了各國(guó)研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和公司的高度重視，歐美和日本等國(guó)顯示出了明顯的 領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)的一些高校和研究機(jī)構(gòu)已著手 MEM及感器技術(shù)的開(kāi)發(fā)和研究， 但在靈敏度、可靠性及新技術(shù)能力提升方面與國(guó)外相比還存在較大差距。許多 MEMS專感器品種尚未具備批量生產(chǎn)的能力，離產(chǎn)品的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還很遠(yuǎn)， 有待于進(jìn)一步提高和完善。精品資料參考文獻(xiàn)李軍，趙軍.MEMS傳感器的發(fā)展及其在煤礦下的應(yīng)用J.煤炭技 術(shù),2014,(3).孫圣和.現(xiàn)代傳感器的發(fā)展方向J.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009,(1).孫華，吳林，陳俊分.多傳感器融合技術(shù)及其在機(jī)器人中的應(yīng)用,2003,(9).吳雄，汽車MEM及感器的應(yīng)用與發(fā)展J.傳感器世界，2002,(3).張冬至，胡國(guó)清，陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器研究與進(jìn)展J.儀表技術(shù)與傳 感器,2009,11:4-6.J. Philippe, G. Arndt