1、MEM轉感器的現狀及應用0引言MEMS （微電子機械系統）傳感器是利用集成電路技術工藝和微機械加工方法 將基于各種物理效應的機電敏感元器件和處理電路集成在一個芯片上的傳感器。 20世紀60年代霍尼韋爾研究中心和貝爾實驗室研制出首個硅隔膜壓力傳感器和 應變計開創了 MEMSfe術的先河。此后，MEMSfe術的快速發展使得 MEM及感器 受到各發達國家的廣泛關注，與此同時，美國、俄國、日本等世界大國將MEMS傳感器技術作為戰略性的研究領域之一，紛紛制定相關的計劃并投入巨資進行專 項研究。MEMS專感器具有體積小、質量輕、功耗低、靈敏度高、可靠性高、易于集 成以及耐惡劣工作環境等優勢，從而促進了傳感

2、器向微型化、智能化、多功能化 和網絡化的方向發展。步入21世紀以后，MEMS感器正逐步占據傳感器市場， 并逐步取代傳統機械傳感器的主導地位， 在消費電子產品、汽車工業、航空航天、 機械、化工及醫藥等各領域備受青睞。MEMS專感器的分類及原理MEM滕感器種類繁多，按照測量性質可以分為物理MEMS感器、化學MEMS 傳感器、生物MEM及感器。按照被測的量又可分為加速度、角速度、壓力、位 移、流量、電量、磁場、紅外、溫度、氣體成分、濕度、 pH值、離子濃度、生 物濃度及觸覺等類型的傳感器。目前， MEMSE力傳感器、MEMS口速度計、MEMS 陀螺儀等已在太空衛星、運載火箭，航空航天設備、飛機、各種

3、車輛、生物醫學 及消費電子產品等領域中得到了廣泛的應用。MEMS傳感器主要由微型機光電敏感器和微型信號處理器組成。前者功能與傳統傳感器相同，主要區別在于用 MEMSC藝實現傳統傳感器的機光電元器 件的同時對敏感元件輸出的數據進行各種處理， 以補償和校正敏感元件特性不理 想和影響量引入的失真，進而恢復真實的被測量。精品資料得測量機械元件機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。利用 MEM被術工藝將MEM滕感器、MEMS執行器和MEMSS制處理器都集中在一個芯片上，則所構成的系統稱為MEM片 控制系統。微控制處理器的主要功能包括 A/D和D/A轉換,數據處理

4、和執行控制 算法；微執行器將電信號轉換成非電量，使被控對象產生平動、轉動、聲、光、 熱等動作。MEMS專感器的典型應用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將電阻變化轉化成電壓， 是目前應用最為廣 泛的傳感器之一，其性能由測量范圍、測量精度、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孩術在材料中間制成力敏膜片，然后在膜 片上擴散雜質形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋的方式將應變電阻連接成電 路，來獲得高靈敏度。從信號檢測方式來劃分，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用MEMS專感器是在汽車上應用最多的微機電傳感器。汽車上MEMSE力傳感器 可用于測量氣囊貯氣壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過 濾系統的流體壓力、輪胎壓力監測系統等；也可以使用在制作工藝和電路設計上， 低成本而高精度地進行大量的生產。精品資料微型硅壓阻式MEMS壓力傳感器可用于發動機廢氣循環系統，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 EFI ,監 測發動機進氣歧管絕對壓力，提高其動力性能，降低油耗，減少廢氣排放。另一 個極具市場前景的是輪胎氣壓自動監測系統，MEMS1力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設一小

6、塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、溫度、轉速 和其它一些數據，并用特定的代碼發送出來。使輪胎始終保持良好的應用性能， 可提高安全系數，縮短制動距離 510%,并能降低油耗10%左右。目前，可 以提供MEMSE力傳感器的有美國凱樂爾、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用壓力變送器是石化行業自動控制中使用最多的測量裝置之一。在大型的化工項目中，幾乎包含了所有壓力變送器的應用： 差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、 高溫、低溫，以及各種材質及特殊加工的遠傳法蘭式壓力變送器。石化行業對壓力變送器的需求主要集中在可靠性、 穩定性和高精度3個方面。壓力變送器的穩 定性和高精度則

7、主要由壓力傳感器的穩定性和測量精度保證。與壓力變送器的測量精度相對應的是壓力傳感器的測量精度和響應速度，與壓力變送器的穩定性相 對應的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長期穩定性。石化行業對壓力傳感器的需求就體現在測量精度、快速響應、溫度特性和靜壓特性、長期穩定性4個方面。在煤炭產業，傳統的MEM及感器存在著體積大、功耗高、易損壞等特點。 因此，使用傳統壓力傳感器對這些事故易發點進行壓力檢測時往往因為傳感器體 積大導致安裝困難，靈敏度低及分辨率差導致經常出現誤報、 漏報等現象，以至 于煤礦井下頂板坍塌和透水等事故不能及時發現而造成越來越多的人員及財產 損失。隨著MEMSE力傳感器在許多領域的

8、成熟應用，煤礦井下壓力傳感器的改 造也是未來發展的必然趨勢。同時，該類傳感器在煤礦領域的救生艙、呼吸器類 儀器、井下壓風自救系統中將會有更廣闊的應用前景。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 平行的懸臂梁構成，梁的一端固定在邊框架上，另一端固定一個小質量物體塊。精品資料 無加速度a時，質量塊不運動；而當有垂直加速度時，質量塊運動，對加速度 a 敏感的力f導致懸臂梁活動端位移。按位移檢測方式不同， MEMSto速度計有電 阻式、電容式、隧道式、共振式、光纖式等。采用微機電技術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、大優于常規的加速度傳感器， 使得其無論在民用領域，還是在軍 用領域都有著廣泛的應用。在軍用上可用于各種飛行裝置的加速度測量、振動測 量、沖擊測量，尤其在武器系統的精確制導系統、彈藥的安全系統、彈藥的點火 控制系統有著極其廣泛的應用前景。MEMS散加速度計在汽車上主要用于安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系 統和防盜系統等。在汽車安全氣囊系統中，MEMS1速度計可以安裝在不同的地 方用來判斷多個信息如識別碰撞的方向、類型、重力影響等等，保證氣囊系統做 出明確的反映。在汽車防盜系統中，MEMSb 速度計用來做傾斜計，感測汽車相 對地面的傾斜度。當汽車被盜拖動時，加速度計將檢測到傾斜度的變化， 從而報

10、 警。MEMS陀螺儀MEMS陀螺儀是一種振動式角速率傳感器，具特點是幾何結構復雜和精準度較 高。MEMS它螺儀的關鍵性能指標包括靈敏度、滿量程輸出、噪聲、帶寬、分辨 率、隨機漂移和動態范圍等。目前，國外研制最多的是振動式微陀螺儀，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。 主要用在汽車底盤控制系統、汽車導航的 GPS信號補償、以及安全主動系統。微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉速度（轉彎或者打滾），它與低加速度計 一起構成主動控制系統。所謂主動控制系統就是一旦發現汽車的狀態異常，系統在車禍尚未發生時及時糾正這個異常狀態或者正確應對異常狀態以阻止車禍 的發生。利用

11、三軸MEMS速度計的輸出判斷載體運動狀態，采用 EKF濾波算法 對其狀態進行估計，并在濾波算法中應用加速度計和磁強計組合計算所得的姿態 信息作為對陀螺漂移的補償，最后通過數據融合修正其姿態角，得到一種可以在 載體運動情況下補償陀螺漂移的姿態的方法。MEMS專感器的發展趨勢精品資料進入21世紀以來，在市場引導、科技推動、風險投資和政府介入等多重作 用下，MEM滕感器技術發展迅速，新原理、新材料和新技術的研究不斷深入 MEMS 傳感器的新產品不斷涌現。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展。隨著新型半導體材料和 MEMS工工藝、敏感元件集成設計和傳

12、感器結構設 計的不斷突破，新型MEMSE力傳感器不斷推出。開發新型材料用于制作惡劣環 境下的MEMSE力傳感器是今后的重要研究內容。納米管、納米線、納米光纖、 光導、超導和智能材料也將成為制作納米傳感器的材料，MEMS專感器向納米級發展的同時將產生多種傳感器，如氣體、生物和化學傳感器，使MEM滕感器的種類更加多樣化。借助于新的加工技術，如先進的MEM制作和組裝技術使MEM滕感器體積更 小、功耗更低且性能更高。利用專門的集成設計和工藝，如與CMO兼容的MEMS加工技術和芯片上集成系統技術可把構成傳感器的敏感元件和電路元件制作在 同一芯片上，能夠完成信號檢測和信號處理，構成功能強大的智能傳感器，滿

13、足 傳感器微型化和集成化的要求。4結論MEM轂感器一直是研究的熱點和重點，是各國大力發展的核心和前沿技術, 引起了各國研究機構、大學和公司的高度重視，歐美和日本等國顯示出了明顯的 領先優勢。國內的一些高校和研究機構已著手 MEM及感器技術的開發和研究， 但在靈敏度、可靠性及新技術能力提升方面與國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的能力，離產品的實用化和產業化還很遠， 有待于進一步提高和完善。精品資料參考文獻李軍，趙軍.MEMS傳感器的發展及其在煤礦下的應用J.煤炭技 術,2014,(3).孫圣和.現代傳感器的發展方向J.電子測量與儀器學報，2009,(1).孫華，吳林，陳俊分.多傳感器融合技術及其在機器人中的應用,2003,(9).吳雄，汽車MEM及感器的應用與發展J.傳感器世界，2002,(3).張冬至，胡國清，陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器研究與進展J.儀表技術與傳 感器,2009,11:4-6.J. Philippe, G. Arndt