MEMS传感器及其应用

MEMS传感器及其应用

科目：先进制造技术教师：周忆（教授）姓名：张雷学号：

专业：机械设计及理论类别：学术

上课时间：2011年11月至2011 年1月

考生成绩：

阅卷评语：

阅卷教师(签名)

MEMS传感器及其应用

张雷

（机械传动实验室）

摘要:和传统的传感器相比，微型传感器具有许多新特性，它们能够弥补传统传感器的不足，具有广泛的应用前景，越来越受到重视。文中简单介绍了一些微型传感器件的结构和原理及其应用情况。

关键词: MEM压力传感器；MEM加速度传感器；应用

1 引言

微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。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。目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。微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。本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。

2 MEMS传感器的特点及分类

2.1MEMS传感器特点

MEMS传感器是利用集成电路技术工艺和微机械加工方法将基于各种物理效应的

机电敏感元器件和处理电路集成在一个芯片上的传感器。MEMS是微电子机械系统的缩写，一般简称微机电。如图1所示，主要由微型机光电敏感器和微型信号处理器组成。前者功能与传统传感器相同，区别是用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器件。后者功能是对敏感元件输出的数据进行各种处理，以补偿和校正敏感元件特性不理想和影量引入的失真，进而恢复真实的被测量。

图1 MEMS传感器原理图

MEMS传感器主要用于控制系统。利用MEMS技术工艺将MEMS传感器、MEMS执行器和MEMS控制处理器都集中在一个芯片上，则所构成的系统称为MEMS芯片控制系统。图15表示了MEMS控制系统。微控制处理器的主要功能包括A／D和D／A转换，数据处理和执行控制算法。微执行器将电信号转换成非电量，使被控对象产生平动、转动、声、光、热等动作。系统接口单元便于高层的管理处理器通信，以适合远程分布测控[4]。

图2 MEMS控制系统原理图

2.2MEMS传感器分类

微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。本文简介压力传感器和加速度计。

（1）压力传感器

MEMS压力传感器一般采用压阻力敏原理，即被测压力作用于敏感元件引起电阻变化。利用恒流源或惠斯顿电桥将电阻变化转化成电压。这种传感器用单晶硅作基片，用技术在基片上生成力敏薄膜，然后在膜上扩散杂质形成4只应变电阻，再将应变电阻连接成惠斯顿电桥电路，以获得较高的压力灵敏度，其输出大多为0～5 V模拟量。一枚晶片可同时制作多个力敏芯片，易于批量生产。力敏芯片性能受温度影响，采用调理电路补偿[2]。

（2）加速度计

MEMS加速度传感器基于牛顿第二定律。敏感元件通常由一个平行的悬臂梁构成，梁的一端固定在边框架上，另一端固定一个小质量物体块。无加速度a时，质量块不运动，而当有垂直加速度时，质量块运动，对加速度口敏感的力，导致悬臂梁活动端位移。

敏感元件的结构主要有悬臂梁式和梳齿状折叠梁式。前者结构简单，采用各向异性体硅材料，用半导体平面工艺，各向异性腐蚀和静电封装制作。后者可看作是悬臂梁的并、串联组合，结构设计复杂，采用各向同性的多晶硅材料，用表面牺牲层技术制作[3]。

3 MEMS传感器的应用

MEMS传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高、易批产、成本低、可测量各种物理量、化学量和生物量等优势，在航天、航空、航海、兵器、机械、化工等领域，尤其是汽车工业获得较广泛应用，且国外已形成MEMS产业。

（1）在军事中的应用

作为一个在海上应用的实例,MEMS引信/保险和引爆F/SA 装置已成功地用于潜

艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括3个独立步骤:发射鱼雷后，解除炸药保险、引爆、引信和防止在不正确时间爆炸保险。

陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布式战场微型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新

型探测装置，这种微型机电系统在布设、耐久和易损性等方面有明显的优点。

在空中应用方面，MEMS压力传感器已在F-14战斗机弹射座的助推火箭上进行了测试。喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料，被用于各种监视该类发动机内部动力学特性的传感器上。

（2）生物医疗和生物医学方面的应用

微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体，可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的胆固醇，可探测和清除人体内的癌细胞,进行视网膜开刀时，大夫可将遥控机器人放入眼球内，在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很小的器官和组织和智能能自动地进行细微精确的操作的特点,可大大提高介入治疗的精度，直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险。同时，可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大，为人类最