MEMS微电子机械传感器原理和应用

MEMS微电子机械传感器原理和应用 【摘 要】MEMS 是 Micro-Machined Electro Mechanical Sensor既微机电机械传感器的简称。它是一种 微米级的类似于集成电路的装置和工具，现已应用与工业、 汽车、国防、生命科学和日常生活。MEMS技术是从早期的汽 车轮胎压力传感器到为开发气囊而进行的汽车撞毁试验以 及航空电子等大冲击量检测设备而逐渐发展而来的。 【关键词】加速度计电容传感器 中图分类号G4文献标识码A文章编号1009-914X 2013 35-254-01 一、前言 MEMS 是英文 Micro Electro Mechanical Systems 的缩 写，即微电子机械系统，是建立在微米/纳米技术 micro/nanotechnology基础上的21世纪新型多学科交 叉的前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制 造、测量和控制的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、 光学、生物、材料等多学科。它研究的主要内容包括微型传 感器、微型执行器和复杂的微系统，微机电系统技术的发 展开辟了一个全新领域和产业，在航空、航天、汽车、生物 医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都 有着十分广阔的应用前景，它对21世纪的科学技术，人类 生产和生活方式将产生革命性影响，并在未来高科技战争中 扮演着举足轻重的角色，是关系国民经济发展和国家安全保 障的关键技术。利用MEMS技术，可以制成准确检测病变的 基因芯片、比手掌还小的飞行器、重量仅有几十克的微小卫 星我们这里讨论的微加速度计就是MEMS技术具体应用， 顾名思义微加速度计就是来测量加速度的，实际应用中目的 往往并不是测量加速度，而是速度，进而可以测量出直线位 移，结合陀螺仪（MEMS的一种，用来测量角速度的），可以 准确定位，这在航空航天，导弹制导等方面有广泛的应用。 二、MEMS结构模型 MEMS加速度计主要有两部分微电子技术加工的电容性 机械振动系统（Micro Electro Mechanical System）和带 有闭环反馈的信号转换控制ASIC （Application Specific Integrated Circuit特定用途集成电路）系统。 2. 1基本电路原理 MEMS传感器有开环和闭环两种。 该加速度传感基于电容变化原理，惯性质体将加速度作 用进行放大并转换成电容极板的位移。差动电容的变化通过 检测电路变成电信号，在经过力平衡回路反馈。激励可移动 的电容极板始终处于平衡位置。反馈信号同时作为输出，它 表明了输入加速度的大小。 2.2 MEMS机械系统结构分析 为了提高加速度计的工作灵敏度，通常采用电容式结 构。我们这里所研究的加速度计属于电容式结构的一种；采 用质量块-弹簧-阻尼器系统来感应加速度，它是利用比较成 熟的硅加工工艺在硅片内形成的立体结构。质量块是微加速 度计的执行器，与质量块相连的是可动臂；与可动臂相对的 是固定臂。可动臂和固定臂形成了电容结构，作为微加速度 计的感应器。其中的弹簧并非真正的弹簧，而是由硅材料经 过立体加工形成的一种力学结构，它在加速度计中的作用相 当于弹簧。 三、MEMS工作原理 加速度计的工作原理可概述如下当加速度计连同外界 物体（该物体的加速度就是待测的加速度）一起加速运动时, 质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生 的位移受到弹簧和阻尼器的限制。显然该位移与外界加速度 具有对应的关系外界加速度固定时，质量块具有确定 的位移；外界加速度变化时（只要变化不是很快），质量块 的位移也发生相应的变化。另一方面，当质量块的发生位移 时，可动臂和固定臂（即感应器）之间的电容就会发生相应 的变化；如果测得感应器输出电压的变化，就等同于测得了 执行器（质量块）的位移。既然执行器的位移与待测加速度 具有确定的对应关系，那么输出电压与外界加速度也就 有了确定的关系，即通过输出电压就能测得外界加速度。 四、MEMS的应用 MEMS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。 4. 1微机械压力传感器 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，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分 别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜 结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。 4. 2微加速度传感器 硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入 市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平 衡式和谐振式。国内在微加速度传感器的研制方面也作了大 量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感 器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。 4. 3微机械陀螺 角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。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。 4. 4微流量传感器 微流量传感器不仅外形尺寸小，能达到很低的测量量 级，而且死区容量小，响应时间短，适合于微流体的精密测 量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可 分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振 式3种。 4. 5微气体传感器 根据制作材料的不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感 器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅 材料，是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人 们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。 五、结论 用MEMS技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可 集成化、阵列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易 批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点，受到各国 研究者的重视。尽管目前开发的传感器还有某些不足之处， 例如灵敏度低、工作温区窄、精度不高。但是，随着科研工 作者的深入研究，在不久的将来必有更多结构更新、性能更 优异的实用化的传感器问世 参考文献 [1] 沈景春，MEMS数字检波器结构与原理分析，2008 年。 [2] 黄庆安，硅微机械加工技术，科学出版社，1996年。 [3] Lecture notes, EE321, MEMS Design, Stanford University, 2003. [4] JOHN GIBOSON, ROY BURNETT , JIM ROY, HOWARD WATT, EAGE05 MC data from different MEMS Verit