MEMS傳感器的發(fā)展(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上MEMS傳感器的現(xiàn)狀及應(yīng)用0 引言 MEMS（微電子機械系統(tǒng)）傳感器是利用集成電路技術(shù)工藝和微機械加工方法將基于各種物理效應(yīng)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(jì)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(yīng)變計開創(chuàng)了MEMS技術(shù)的先河。此后，MEMS技術(shù)的快速發(fā)展使得MEMS傳感器受到各發(fā)達國家的廣泛關(guān)注，與此同時，美國、俄國、日本等世界大國將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)的計劃并投入巨資進行專項研究。MEMS傳感器具有體積小、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，從

2、而促進了傳感器向微型化、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傳感器正逐步占據(jù)傳感器市場，并逐步取代傳統(tǒng)機械傳感器的主導(dǎo)地位，在消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域備受青睞。1 MEMS傳感器的分類及原理 MEMS傳感器種類繁多，按照測量性質(zhì)可以分為物理MEMS傳感器、化學(xué)MEMS傳感器、生物MEMS傳感器。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，MEMS壓力傳感器、MEMS加速度計、MEMS陀螺儀等已在太空衛(wèi)星、運載火箭,航空航天設(shè)備、飛機

3、、各種車輛、生物醫(yī)學(xué)及消費電子產(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光電敏感器和微型信號處理器組成。前者功能與傳統(tǒng)傳感器相同，主要區(qū)別在于用MEMS工藝實現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的機光電元器件的同時對敏感元件輸出的數(shù)據(jù)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(fù)真實的被測量。 圖 1.1 MEMS傳感器原理圖 MEMS傳感器主要用于控制系統(tǒng)。利用MEMS技術(shù)工藝將MEMS傳感器、MEMS執(zhí)行器和MEMS控制處理器都集中在一個芯片上，則所構(gòu)成的系統(tǒng)稱為MEMS芯片控制系統(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)處理和執(zhí)行控制算法；微執(zhí)行器將電信號轉(zhuǎn)

4、換成非電量，使被控對象產(chǎn)生平動、轉(zhuǎn)動、聲、光、熱等動作。 2 MEMS傳感器的典型應(yīng)用 2.1 MEMS壓力傳感器MEMS壓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?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MEMS技術(shù)在材料中間制成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(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，來獲得高靈敏度。從信號檢測方式來劃分，MEMS壓力傳感器可分為壓阻式、電容式和諧振式等；2.1.1 MEMS壓力傳感器在汽車上的應(yīng)用M

5、EMS 傳感器是在汽車上應(yīng)用最多的微機電傳感器。汽車上MEMS壓力傳感器可用于測量氣囊貯氣壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力、輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)等；也可以使用在制作工藝和電路設(shè)計上，低成本而高精度地進行大量的生產(chǎn)。微型硅壓阻式 MEMS 壓力傳感器可用于發(fā)動機廢氣循環(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)測發(fā)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(jiān)測系統(tǒng)，MEMS 壓力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設(shè)一小塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、

6、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。使輪胎始終保持良好的應(yīng)用性能，可提高安全系數(shù)，縮短制動距離 5 10%，并能降低油耗 10% 左右。目前，可以提供MEMS壓力傳感器的有美國凱樂爾、SSI、菲爾科、日本電裝等公司。 2.1.2 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(yīng)用：差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠傳法蘭式壓力變送器。石化行業(yè)對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個方面。壓力變送器的穩(wěn)定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩(wěn)定性和測

7、量精度保證。與壓力變送器的測量精度相對應(yīng)的是壓力傳感器的測量精度和響應(yīng)速度,與壓力變送器的穩(wěn)定性相對應(yīng)的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長期穩(wěn)定性。石化行業(yè)對壓力傳感器的需求就體現(xiàn)在測量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長期穩(wěn)定性4個方面。在煤炭產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的MEMS傳感器存在著體積大、功耗高、易損壞等特點。因此，使用傳統(tǒng)壓力傳感器對這些事故易發(fā)點進行壓力檢測時往往因為傳感器體積大導(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、漏報等現(xiàn)象，以至于煤礦井下頂板坍塌和透水等事故不能及時發(fā)現(xiàn)而造成越來越多的人員及財產(chǎn)損失。隨著MEMS壓力傳感器在許多領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，煤礦井下壓力傳感器的改造也是

8、未來發(fā)展的必然趨勢。同時，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)中將會有更廣闊的應(yīng)用前景。 2.2 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(gòu)成，梁的一端固定在邊框架上，另一端固定一個小質(zhì)量物體塊。無加速度a時，質(zhì)量塊不運動；而當(dāng)有垂直加速度時，質(zhì)量塊運動，對加速度a敏感的力f導(dǎo)致懸臂梁活動端位移。按位移檢測方式不同，MEMS加速度計有電阻式、電容式、隧道式、共振式、光纖式等。 采用微機電技術(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大優(yōu)于常規(guī)的加速度傳感器，使得其無論在民用領(lǐng)域，還是在

9、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量、振動測量、沖擊測量，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)、彈藥的點火控制系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。 MEMS微加速度計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，MEMS 加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(tǒng)做出明確的反映。 在汽車防盜系統(tǒng)中，MEMS 加速度計用來做傾斜計，感測汽車相對地面的傾斜度。當(dāng)汽車被盜拖動時，加速度計將檢測到傾斜度的變化，從而報警。 2.3 MEMS陀螺儀 MEMS陀螺儀是一種振動式角速率傳感

10、器，其特點是幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜和精準(zhǔn)度較高。MEMS陀螺儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括靈敏度、滿量程輸出、噪聲、帶寬、分辨率、隨機漂移和動態(tài)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(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。主要用在汽車底盤控制系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航的 GPS 信號補償、以及安全主動系統(tǒng)。微機械陀螺儀用于測量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。所謂主動控制系統(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)生時及時糾正這個異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。利用三軸MEMS加速度計的輸出判斷載體運動狀態(tài)，采用EKF濾波算法對

11、其狀態(tài)進行估計，并在濾波算法中應(yīng)用加速度計和磁強計組合計算所得的姿態(tài)信息作為對陀螺漂移的補償，最后通過數(shù)據(jù)融合修正其姿態(tài)角，得到一種可以在載體運動情況下補償陀螺漂移的姿態(tài)的方法。3 MEMS傳感器的發(fā)展趨勢 進入21世紀(jì)以來，在市場引導(dǎo)、科技推動、風(fēng)險投資和政府介入等多重作用下，MEMS傳感器技術(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傳感器正向高精度、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加工工藝、敏感元件集成設(shè)計和傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的不斷突破，新型MEMS壓力傳感器不斷推出。開發(fā)新型材料用于制作惡

12、劣環(huán)境下的MEMS壓力傳感器是今后的重要研究內(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傳感器向納米級發(fā)展的同時將產(chǎn)生多種傳感器，如氣體、生物和化學(xué)傳感器，使MEMS傳感器的種類更加多樣化。借助于新的加工技術(shù)，如先進的MEMS制作和組裝技術(shù)使MEMS傳感器體積更小、功耗更低且性能更高。利用專門的集成設(shè)計和工藝，如與CMOS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，能夠完成信號檢測和信號處理，構(gòu)成功能強大的智能傳感器，滿足傳感器微型化和集成化的要求。4 結(jié)論MEMS傳感器一直是研究的熱點和重點，是各

13、國大力發(fā)展的核心和前沿技術(shù)，引起了各國研究機構(gòu)、大學(xué)和公司的高度重視，歐美和日本等國顯示出了明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢。國內(nèi)的一些高校和研究機構(gòu)已著手MEMS傳感器技術(shù)的開發(fā)和研究，但在靈敏度、可靠性及新技術(shù)能力提升方面與國外相比還存在較大差距。許多MEMS傳感器品種尚未具備批量生產(chǎn)的能力，離產(chǎn)品的實用化和產(chǎn)業(yè)化還很遠，有待于進一步提高和完善。專心-專注-專業(yè)參考文獻1 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).2 孫圣和.現(xiàn)代傳感器的發(fā)展方向J.電子測量與儀器學(xué)報，2009,(1).3 孫華,吳林,陳俊分.多傳感器融合技術(shù)及其在機器人中的應(yīng)用,2003,(9).4 吳雄,汽車MEMS傳感器的應(yīng)用與發(fā)展J.傳感器世界,2002,(3).5 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(shù)與傳 感器,2009,11:4-6.6 J. Philippe, G.