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(jī)械系統(tǒng)）傳感器是利用集成電路技術(shù)工藝和微機(jī)械加工方法將基于各種物理效應(yīng)的機(jī)電敏感元器件和處理電路集成在一個(gè)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(shí)驗(yàn)室研制出首個(gè)硅隔膜壓力傳感器和應(yīng)變計(jì)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(dá)國家的廣泛關(guān)注，與此同時(shí)，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(jì)劃并投入巨資進(jìn)行專項(xiàng)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(shì)，從

2、而促進(jìn)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(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)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(cè)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(cè)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(jì)、MEMS陀螺儀等已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭,航空航天設(shè)備、飛機(jī)

3、、各種車輛、生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)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(jī)光電敏感器和微型信號(hào)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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)傳感器的機(jī)光電元器件的同時(shí)對(duì)敏感元件輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，以補(bǔ)償和校正敏感元件特性不理想和影響量引入的失真，進(jìn)而恢復(fù)真實(shí)的被測(cè)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(gè)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(hào)轉(zhuǎn)

4、換成非電量，使被控對(duì)象產(chǎn)生平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、聲、光、熱等動(dòng)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(cè)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(cè)量范圍、測(cè)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(kuò)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(hào)檢測(cè)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(jī)電傳感器。汽車上MEMS壓力傳感器可用于測(cè)量氣囊貯氣壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力、空氣過濾系統(tǒng)的流體壓力、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等；也可以使用在制作工藝和電路設(shè)計(jì)上，低成本而高精度地進(jìn)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(dòng)機(jī)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(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力，提高其動(dòng)力性能，降低油耗，減少廢氣排放。另一個(gè)極具市場前景的是輪胎氣壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(dòng)測(cè)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(dòng)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(dòng)控制中使用最多的測(cè)量裝置之一。在大型的化工項(xiàng)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(yuǎn)傳法蘭式壓力變送器。石化行業(yè)對(duì)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(gè)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(cè)

7、量精度保證。與壓力變送器的測(cè)量精度相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的測(cè)量精度和響應(yīng)速度,與壓力變送器的穩(wěn)定性相對(duì)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(duì)壓力傳感器的需求就體現(xiàn)在測(cè)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(gè)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(diǎn)。因此，使用傳統(tǒng)壓力傳感器對(duì)這些事故易發(fā)點(diǎn)進(jìn)行壓力檢測(cè)時(shí)往往因?yàn)閭鞲衅黧w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(bào)、漏報(bào)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(shí)發(fā)現(xiàn)而造成越來越多的人員及財(cái)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(shì)。同時(shí)，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(huì)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(gè)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(gè)小質(zhì)量物體塊。無加速度a時(shí)，質(zhì)量塊不運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)有垂直加速度時(shí)，質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)，對(duì)加速度a敏感的力f導(dǎo)致懸臂梁活動(dòng)端位移。按位移檢測(cè)方式不同，MEMS加速度計(jì)有電阻式、電容式、隧道式、共振式、光纖式等。 采用微機(jī)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(cè)量、振動(dòng)測(cè)量、沖擊測(cè)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(diǎn)火控制系統(tǒng)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。 MEMS微加速度計(jì)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(jì)可以安裝在不同的地方用來判斷多個(gè)信息如識(shí)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(jì)用來做傾斜計(jì)，感測(cè)汽車相對(duì)地面的傾斜度。當(dāng)汽車被盜拖動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)將檢測(cè)到傾斜度的變化，從而報(bào)警。 2.3 MEMS陀螺儀 MEMS陀螺儀是一種振動(dòng)式角速率傳感

10、器，其特點(diǎn)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(jī)漂移和動(dòng)態(tài)范圍等。目前，國外研制最多的是振動(dòng)式微陀螺儀，利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測(cè)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(hào)補(bǔ)償、以及安全主動(dòng)系統(tǒng)。微機(jī)械陀螺儀用于測(cè)量汽車的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)彎或者打滾），它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂主動(dòng)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(shí)及時(shí)糾正這個(gè)異常狀態(tài)或者正確應(yīng)對(duì)異常狀態(tài)以阻止車禍的發(fā)生。利用三軸MEMS加速度計(jì)的輸出判斷載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用EKF濾波算法對(duì)

11、其狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并在濾波算法中應(yīng)用加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組合計(jì)算所得的姿態(tài)信息作為對(duì)陀螺漂移的補(bǔ)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(yùn)動(dòng)情況下補(bǔ)償陀螺漂移的姿態(tài)的方法。3 MEMS傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 進(jìn)入21世紀(jì)以來，在市場引導(dǎo)、科技推動(dòng)、風(fēng)險(xiǎn)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(jì)和傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jí)發(fā)展的同時(shí)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(jìn)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(jì)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(hào)檢測(cè)和信號(hào)處理，構(gòu)成功能強(qiáng)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(diǎn)和重點(diǎn)，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(jī)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(shì)。國內(nèi)的一些高校和研究機(jī)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(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化還很遠(yuǎn)，有待于進(jìn)一步提高和完善。專心-專注-專業(yè)參考文獻(xiàn)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(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2009,(1).3 孫華,吳林,陳俊分.多傳感器融合技術(shù)及其在機(jī)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(jìn)展J.儀表技術(shù)與傳 感器,2009,11:4-6.6 J. Philippe, G.