关于MEMS传感器的调查报告
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MEMS传感器的调查报告
小组成员：刘歆艺、娄顺喜
目录
• • • • • • MEMS的概念及MEMS传感器 MEMS传感器研究现状 MEMS传感器的特点 MEMS传感器的分类及原理 MEMS传感器的典型应用 MEMS传感器的展望
MEMS的概念
MEMS(Micro Electro Mechanical System)，微机 电系统，将微电子技术和 微细加工技术相结合，实 现微电子与机械的融合。 它涉及电子、机械、材料、 物理学、化学、生物学、 医学等多种学科与技术， 具有广阔的应用前景。
电容式
MEMS加速度传感器原理——压电式
加速度传感器的质量 块与压电材料相连，当输 入加速度时，加速度通过 质量块形成的惯性力加在 压电材料上，使压电材料 产生变形，压电材料产生 的变形和由此产生的电荷 ( 电压) 与加速度成正比， 输出电量经放大后就可检 测出加速度大小。
压电式
MEMS加速度传感器原理——隧道电流式
非接触式温度传感器
非接触式温度传感器芯片截面
MEMS温度传感器分类
谐振式
电容式
压阻式
MEMS温度传感器工作原理——谐振式
谐振式温度传感器 以双层悬臂梁作为温度 敏感元件，采用压电激 励和压电检测的工作方 式将温度信号直接转换 成频率输出信号。该传 感器的工作原理如图所 示。
压阻式
MEMS温度传感器工作原理——电容式
电容式温度传感器采用由 导体（半导体）/介质层/导 体（半导体）组成的多层梁 固体可变电容结构。即在两 层电容极板间填充了绝缘介 质。
电容式温度传感器构造图
MEMS温度传感器工作原理——压阻式
压阻式温度传感器主要是由表 面制有惠斯通电桥的硅微桥和淀积 在其表面的温敏聚合物薄膜组成， 温度的变化会引起温敏薄膜的变形， 由于变形受到硅微桥的限制，温敏 薄膜将产生应力，根据压阻效应可 知在此应力下，硅微桥内制作的组 成惠斯通电桥的4只扩散电阻应变 计的阻值将发生变化，从而改变硅 微桥的输出电压。由此，可建立温 度变化量和输出电压之间的函数关 系，达到检测温度的目的。
MEMS传感器基本结构
MEMS传感器的研究现状
MEMS传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力 发展的核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司 的高度重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国 内的一些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发 和研究,但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外 相比还存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批 量生产的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进 一步提高和完善。
MEMS陀螺仪
MEMS陀螺仪的工作原理
MEMS陀螺仪利用科里奥 效应测量运动物体的角速率， 根据科里奥效应，当一个物 体沿X方向运动且施加角旋转 速率时，该物体将受到一个 黄色箭头方向的力。 然后， 从一个电容感应结构可以测 到科里奥效应最终产生的物 理位移。
MEMS陀螺仪
MEMS温度传感器
MEMS温度传感器 与传统的传感器相比， 具有体积小、重量轻的 特点，其固有热容量仅 为10J/K~10J/K，使其 在温度测量方面具有传 统温度传感器不可比拟 的优势。
隧道电流式MEMS加 速度传感器的工作原理是 利用电子势垒隧道效应， 把输入的加速度转换为质 量块的相对位移，再通过 隧道效应将位移量转换为 隧道电流的变化，最后用 检测电路测出电流变化量 从而获得相应加速度的大 小。
悬臂梁 隧道针 尖
悬臂梁式隧道效应微加速度计
MEMS陀螺仪
传统的陀螺仪是利用高速转动 的物体具有保持其角动量的特性来 测量角速度的。这种陀螺仪的精度 很高，但它的结构复杂，使用寿命 短，成本高，一般仅用于导航方面， 而难以在一般的运动控制系统中应 用。实际上，如果不是受成本限制， 角速度传感器可在诸如汽车牵引控 制系统、摄象机的稳定系统、医用 仪器、军事仪器、运动机械、计算 机惯性鼠标、军事等领域有广泛的 应用前景。另，MEMS陀螺仪对倾 斜、撞击或振动等线性加速度不敏 感。
对MEMS传感器的展望
• 进入21世纪以来,在市场引导、科技推动、风险投资和政府 介入等多重作用下, MEMS传感器技术发展迅速,新原理、 新材料和新技术的研究不断深入, MEMS传感器的新产品不 断涌现。目前, MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功 能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。 • MEMS传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力发展的 核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司的高度 重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国内的一 些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发和研究, 但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还 存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批量生产 的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进一步提 高和完善。
石油勘探 车载导航
身体健康监测
防震
MEMS传感器的典型应用——陀螺仪
数码相机的图像防抖 M E M S 陀 螺 仪 笔记本电脑的硬盘防震动 组装线上提高自动化程度 汽车的电子稳定控制系统
MEMS传感器的典型应用——温度传感器
M E M S 温 度 传 感 器
化学反应温度检测
环境温度监测
气体微传感器的间接监测
MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感器分类
电容式 压阻式
隧道电流式 压电式
MEMS加速度传感器原理——压阻式
压阻式加速度传 感器的结构通常很简 单，加工工艺与IC技 术兼容，具有良好的 直流响应特性。但是 灵敏度很小，温度效 应严重，动态范围有 限。
压阻式
MEMS加速度传感器原理——电容式
电容式加速度传感 器一般采用悬臂梁、固 支梁或挠性轴结构，支 撑一个当作电容动板电 极的质量块，构成一个 平板电容。其工作原理 是在外部加速度作用下， 校验质量块产生位移， 从而改变质量块和电极 之间的电容，将变化量 用外围电路检测出来就 可测量加速度的大小。
MEMS 惯性传感器
MEMS传感器的尺寸比较
MEMS传感器
MEMS传感器是采用微 电子和微机械加工技术制造 出来的新型传感器。与传统 的传感器相比，它具有体积 小、重量轻、成本低、功耗 低、可靠性高、适于批量化 生产、易于集成和实现智能 化的特点。同时，在微米量 级的特征尺寸使得它可以完 成某些传统机械传感器所不 能实现的功能。
传感器侧视图
双层薄膜受热变形示意图
MEMS传感器的典型应用——压力传感器
气囊压力 汽车工业 M E M S 压 力 传 感 器 燃油压力 轮胎压力 颅内压力检测 生物医学领域 诊断和检测系统 表面压力测量 航天 飞行器姿态控制
MEMS传感器的典型应用——加速度传感器
M E M S 加 速 度 传 感 器
谢谢观赏！
MEMS传感器的特点
MEMS传感器大小
MEMS传感器集成特性
MEMS传感器的分类及原理
MEMS传感器主要有： MEMS压力传感器 MEMS加速度传感器 MEMS陀螺仪 MEMS温度传感器等。
MEMS压力传感器
MEMS加速度传感器
MEMS陀螺仪
MEMS温度传感器
MEMS压力传感器
微机械压力传感器是 最早开始研制的微机械产 品,也是微机械技术中最成 熟、最早开始产业化的产 品。从信号检测方式来看, 微压力传感器可分为压阻 式和电容式两类。性能指 标有灵敏度、线性范围、 稳定性等。
电容式压力传感器 利用MEMS技术在硅片 上制造出横隔栅状，上 下二根横隔栅成为一组 电容式压力传感器，上 横隔栅受压力作用向下 位移，改。
电容式结构
MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感 器用于测量载体的加速 度,并提供相关的速度和 位移信息。MEMS加速 度传感器的主要性能指 标包括测量范围、分辨 率、标度因数稳定性、 标度因数非线性、噪声、 零偏稳定性和带宽等。
电容式
压阻式
MEMS压力传感器的工作原理——电阻式
MEMS硅压阻式压力传 感器采用周边固定的圆形的 应力杯硅薄膜内壁，采用 MEMS技术直接将四个高精 密半导体应变片刻制在其表 面应力最大处，组成惠斯顿 测量电桥，作为力电变换测 量电路，将压力这个物理量 直接变换成电量。
压阻式结构
MEMS压力传感器的工作原理——电容式
小组成员：刘歆艺、娄顺喜
目录
• • • • • • MEMS的概念及MEMS传感器 MEMS传感器研究现状 MEMS传感器的特点 MEMS传感器的分类及原理 MEMS传感器的典型应用 MEMS传感器的展望
MEMS的概念
MEMS(Micro Electro Mechanical System)，微机 电系统，将微电子技术和 微细加工技术相结合，实 现微电子与机械的融合。 它涉及电子、机械、材料、 物理学、化学、生物学、 医学等多种学科与技术， 具有广阔的应用前景。
电容式
MEMS加速度传感器原理——压电式
加速度传感器的质量 块与压电材料相连，当输 入加速度时，加速度通过 质量块形成的惯性力加在 压电材料上，使压电材料 产生变形，压电材料产生 的变形和由此产生的电荷 ( 电压) 与加速度成正比， 输出电量经放大后就可检 测出加速度大小。
压电式
MEMS加速度传感器原理——隧道电流式
非接触式温度传感器
非接触式温度传感器芯片截面
MEMS温度传感器分类
谐振式
电容式
压阻式
MEMS温度传感器工作原理——谐振式
谐振式温度传感器 以双层悬臂梁作为温度 敏感元件，采用压电激 励和压电检测的工作方 式将温度信号直接转换 成频率输出信号。该传 感器的工作原理如图所 示。
压阻式
MEMS温度传感器工作原理——电容式
电容式温度传感器采用由 导体（半导体）/介质层/导 体（半导体）组成的多层梁 固体可变电容结构。即在两 层电容极板间填充了绝缘介 质。
电容式温度传感器构造图
MEMS温度传感器工作原理——压阻式
压阻式温度传感器主要是由表 面制有惠斯通电桥的硅微桥和淀积 在其表面的温敏聚合物薄膜组成， 温度的变化会引起温敏薄膜的变形， 由于变形受到硅微桥的限制，温敏 薄膜将产生应力，根据压阻效应可 知在此应力下，硅微桥内制作的组 成惠斯通电桥的4只扩散电阻应变 计的阻值将发生变化，从而改变硅 微桥的输出电压。由此，可建立温 度变化量和输出电压之间的函数关 系，达到检测温度的目的。
MEMS传感器基本结构
MEMS传感器的研究现状
MEMS传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力 发展的核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司 的高度重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国 内的一些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发 和研究,但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外 相比还存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批 量生产的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进 一步提高和完善。
MEMS陀螺仪
MEMS陀螺仪的工作原理
MEMS陀螺仪利用科里奥 效应测量运动物体的角速率， 根据科里奥效应，当一个物 体沿X方向运动且施加角旋转 速率时，该物体将受到一个 黄色箭头方向的力。 然后， 从一个电容感应结构可以测 到科里奥效应最终产生的物 理位移。
MEMS陀螺仪
MEMS温度传感器
MEMS温度传感器 与传统的传感器相比， 具有体积小、重量轻的 特点，其固有热容量仅 为10J/K~10J/K，使其 在温度测量方面具有传 统温度传感器不可比拟 的优势。
隧道电流式MEMS加 速度传感器的工作原理是 利用电子势垒隧道效应， 把输入的加速度转换为质 量块的相对位移，再通过 隧道效应将位移量转换为 隧道电流的变化，最后用 检测电路测出电流变化量 从而获得相应加速度的大 小。
悬臂梁 隧道针 尖
悬臂梁式隧道效应微加速度计
MEMS陀螺仪
传统的陀螺仪是利用高速转动 的物体具有保持其角动量的特性来 测量角速度的。这种陀螺仪的精度 很高，但它的结构复杂，使用寿命 短，成本高，一般仅用于导航方面， 而难以在一般的运动控制系统中应 用。实际上，如果不是受成本限制， 角速度传感器可在诸如汽车牵引控 制系统、摄象机的稳定系统、医用 仪器、军事仪器、运动机械、计算 机惯性鼠标、军事等领域有广泛的 应用前景。另，MEMS陀螺仪对倾 斜、撞击或振动等线性加速度不敏 感。
对MEMS传感器的展望
• 进入21世纪以来,在市场引导、科技推动、风险投资和政府 介入等多重作用下, MEMS传感器技术发展迅速,新原理、 新材料和新技术的研究不断深入, MEMS传感器的新产品不 断涌现。目前, MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功 能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。 • MEMS传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力发展的 核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司的高度 重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国内的一 些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发和研究, 但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还 存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批量生产 的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进一步提 高和完善。
石油勘探 车载导航
身体健康监测
防震
MEMS传感器的典型应用——陀螺仪
数码相机的图像防抖 M E M S 陀 螺 仪 笔记本电脑的硬盘防震动 组装线上提高自动化程度 汽车的电子稳定控制系统
MEMS传感器的典型应用——温度传感器
M E M S 温 度 传 感 器
化学反应温度检测
环境温度监测
气体微传感器的间接监测
MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感器分类
电容式 压阻式
隧道电流式 压电式
MEMS加速度传感器原理——压阻式
压阻式加速度传 感器的结构通常很简 单，加工工艺与IC技 术兼容，具有良好的 直流响应特性。但是 灵敏度很小，温度效 应严重，动态范围有 限。
压阻式
MEMS加速度传感器原理——电容式
电容式加速度传感 器一般采用悬臂梁、固 支梁或挠性轴结构，支 撑一个当作电容动板电 极的质量块，构成一个 平板电容。其工作原理 是在外部加速度作用下， 校验质量块产生位移， 从而改变质量块和电极 之间的电容，将变化量 用外围电路检测出来就 可测量加速度的大小。
MEMS 惯性传感器
MEMS传感器的尺寸比较
MEMS传感器
MEMS传感器是采用微 电子和微机械加工技术制造 出来的新型传感器。与传统 的传感器相比，它具有体积 小、重量轻、成本低、功耗 低、可靠性高、适于批量化 生产、易于集成和实现智能 化的特点。同时，在微米量 级的特征尺寸使得它可以完 成某些传统机械传感器所不 能实现的功能。
传感器侧视图
双层薄膜受热变形示意图
MEMS传感器的典型应用——压力传感器
气囊压力 汽车工业 M E M S 压 力 传 感 器 燃油压力 轮胎压力 颅内压力检测 生物医学领域 诊断和检测系统 表面压力测量 航天 飞行器姿态控制
MEMS传感器的典型应用——加速度传感器
M E M S 加 速 度 传 感 器
谢谢观赏！
MEMS传感器的特点
MEMS传感器大小
MEMS传感器集成特性
MEMS传感器的分类及原理
MEMS传感器主要有： MEMS压力传感器 MEMS加速度传感器 MEMS陀螺仪 MEMS温度传感器等。
MEMS压力传感器
MEMS加速度传感器
MEMS陀螺仪
MEMS温度传感器
MEMS压力传感器
微机械压力传感器是 最早开始研制的微机械产 品,也是微机械技术中最成 熟、最早开始产业化的产 品。从信号检测方式来看, 微压力传感器可分为压阻 式和电容式两类。性能指 标有灵敏度、线性范围、 稳定性等。
电容式压力传感器 利用MEMS技术在硅片 上制造出横隔栅状，上 下二根横隔栅成为一组 电容式压力传感器，上 横隔栅受压力作用向下 位移，改。
电容式结构
MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感 器用于测量载体的加速 度,并提供相关的速度和 位移信息。MEMS加速 度传感器的主要性能指 标包括测量范围、分辨 率、标度因数稳定性、 标度因数非线性、噪声、 零偏稳定性和带宽等。
电容式
压阻式
MEMS压力传感器的工作原理——电阻式
MEMS硅压阻式压力传 感器采用周边固定的圆形的 应力杯硅薄膜内壁，采用 MEMS技术直接将四个高精 密半导体应变片刻制在其表 面应力最大处，组成惠斯顿 测量电桥，作为力电变换测 量电路，将压力这个物理量 直接变换成电量。
压阻式结构
MEMS压力传感器的工作原理——电容式