MEMS传感器的发展

MEMS传感器的现状及应用0引言MEMS（微电子机械系统）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。20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计开创了MEMS技术的先河。此后，MEMS技术的快速发展使得MEMS传感器受到各发达国家的广泛关注，与此同时，美国、俄国、日本等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一，纷纷制定相关的计划并投入巨资进行专项研究。MEMS传感器具有体积小、质量轻、功耗低、灵敏度高、可靠性高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势，从而促进了传感器向微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。步入21世纪以后，MEMS传感器正逐步占据传感器市场，并逐步取代传统机械传感器的主导地位，在消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域备受青睐。1MEMS传感器的分类及原理MEMS传感器种类繁多，按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS传感器、生物MEMS传感器。按照被测的量又可分为加速度、角速度、压力、位移、流量、电量、磁场、红外、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度、生物浓度及触觉等类型的传感器。目前，MEMS压力传感器、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪等已在太空卫星、运载火箭,航空航天设备、飞机、各种车辆、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。MEMS传感器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，主要区别在于用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器件的同时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响量引入的失真，进而恢复真实的被测量。图1.1MEMS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。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。2MEMS传感器的典型应用2.1MEMS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，是目前应用最为广泛的传感器之一，其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。这种传感器以单晶硅作材料，并采用MEMS技术在材料中间制成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥的方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。从信号检测方式来划分，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等；2.1.1MEMS压力传感器在汽车上的应用MEMS传感器是在汽车上应用最多的微机电传感器。汽车上MEMS压力传感器可用于测量气囊贮气压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力、轮胎压力监测系统等；也可以使用在制作工艺和电路设计上，低成本而高精度地进行大量的生产。微型硅压阻式MEMS压力传感器可用于发动机废气循环系统，替代陶瓷电容式压力传感器；多重压力MAP传感器主要用于汽车电控燃油喷射系统EFI，监测发动机进气歧管绝对压力，提高其动力性能，降低油耗，减少废气排放。另一个极具市场前景的是轮胎气压自动监测系统，MEMS压力传感器适合于任何类型的轮胎，在轮胎胎壁埋设一小块感压力敏芯片，自动测量轮胎气压、温度、转速和其它一些数据，并用特定的代码发送出来。使轮胎始终保持良好的应用性能，可提高安全系数，缩短制动距离5～10%，并能降低油耗10%左右。目前，可以提供MEMS压力传感器的有美国凯乐尔、SSI、菲尔科、日本电装等公司。2.1.2MEMS压力传感器在石油化工上的应用压力变送器是石化行业自动控制中使用最多的测量装置之一。在大型的化工项目中，几乎包含了所有压力变送器的应用：差压、绝压、表压、高压、微差压、高温、低温，以及各种材质及特殊加工的远传法兰式压力变送器。石化行业对压力变送器的需求主要集中在可靠性、稳定性和高精度3个方面。压力变送器的稳定性和高精度则主要由压力传感器的稳定性和测量精度保证。与压力变送器的测量精度相对应的是压力传感器的测量精度和响应速度,与压力变送器的稳定性相对应的是压力传感器的温度特性和静压特性以及长期稳定性。石化行业对压力传感器的需求就体现在测量精度、快速响应、温度特性和静压特性、长期稳定性4个方面。在煤炭产业，传统的MEMS传感器存在着体积大、功耗高、易损坏等特点。因此，使用传统压力传感器对这些事故易发点进行压力检测时往往因为传感器体积大导致安装困难，灵敏度低及分辨率差导致经常出现误报、漏报等现象，以至于煤矿井下顶板坍塌和透水等事故不能及时发现而造成越来越多的人员及财产损失。随着MEMS压力传感器在许多领域的成熟应用，煤矿井下压力传感器的改造也是未来发展的必然趋势。同时，该类传感器在煤矿领域的救生舱、呼吸器类仪器、井下压风自救系统中将会有更广阔的应用前景。2.2MEMS加速度传感器MEMS加速度传感器基于牛顿第二定律f=ma制成的，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a敏感的力f导致悬臂梁活动端位移。按位移检测方式不同，MEMS加速度计有电阻式、电容式、隧道式、共振式、光纤式等。采用微机电技术制造的微加速度传感器在寿命、可靠性、成本、体积和重量等方面都要大大优于常规的加速度传感器，使得其无论在民用领域，还是在军用领域都有着广泛的应用。在军用上可用于各种飞行装置的加速度测量、振动测量、冲击测量，尤其在武器系统的精确制导系统、弹药的安全系统、弹药的点火控制系统有着极其广泛的应用前景。MEMS微加速度计在汽车上主要用于安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等。在汽车安全气囊系统中，MEMS加速度计可以安装在不同的地方用来判断多个信息如识别碰撞的方向、类型、重力影响等等，保证气囊系统做出明确的反映。在汽车防盗系统中，MEMS加速度计用来做倾斜计，感测汽车相对地面的倾斜度。当汽车被盗拖动时，加速度计将检测到倾斜度的变化，从而报警。2.3MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是一种振动式角速率传感器，其特点是几何结构复杂和精准度较高。MEMS陀螺仪的关键性能指标包括灵敏度、满量程输出、噪声、带宽、分辨率、随机漂移和动态范围等。目前，国外研制最多的是振动式微陀螺仪，利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。主要用在汽车底盘控制系统、汽车导航的GPS信号补偿、以及安全主动系统。微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度（转弯或者打滚），它与低加速度计一起构成主动控制系统。所谓主动控制系统就是一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态或者正确应对异常状态以阻止车祸的发生。利用三轴MEMS加速度计的输出判断载体运动状态，采用EKF滤波算法对其状态进行估计，并在滤波算法中应用加速度计和磁强计组合计算所得的姿态信息作为对陀螺漂移的补偿，最后通过数据融合修正其姿态角，得到一种可以在载体运动情况下补偿陀螺漂移的姿态的方法。3MEMS传感器的发展趋势进入21世纪以来，在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下，MEMS传感器技术发展迅速，新原理、新材料和新技术的研究不断深入MEMS传感器的新产品不断涌现。目前，MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计和传感器结构设计的不断突破，新型MEMS压力传感器不断推出。开发新型材料用于制作恶劣环境下的MEMS压力传感器是今后的重要研究内容。纳米管、纳米线、纳米光纤、光导、超导和智能材料也将成为制作纳米传感器的材料，MEMS传感器向纳米级发展的同时将产生多种传感器，如气体、生物和化学传感器，使MEMS传感器的种类更加多样化。借助于新的加工技术，如先进的MEMS制作和组装技术使MEMS传感器体积更小、功耗更低且性能更高。利用专门的集成设计和工艺，如与CMOS兼容的MEMS加工技术和芯片上集成系统技术可把构成传感器的敏感元件和电路元件制作在同一芯片上，能够完成信号检测和信号处理，构成功能强大的智能传感器，满足传感器微型化和集成化的要求。4结论MEMS传感器一直是研究的热点和重点，是各国大力发展的核心和前沿技术，引起了各国研究机构、大学和公司的高度重视，欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。国内的一些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发和研究，但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还存在较大差距。许多MEMS传感器品种尚未具备批量生产的能力，离产品的实用化和产业化还很远，有待于进一步提高和完善。参考文献[1]李军,赵军.MEMS传感器的发展及其在煤矿下的应用[J].煤炭技术,2014,(3).[2]孙圣和.现代传感器的发展方向[J].电子测量与仪器学报，2009,(1).[3]孙华,吴林,陈俊分.多传感器融合技术及其在机器人中的应用,2003,(9).[4]吴雄,汽车MEMS传感器的应用与发展[J].传感器世界,2002,(3).[5]张冬至,胡国清,陈昌伟.MEMS高温压力传感器研究与进展[J].仪表技术与传感器,2009,11:4-6.[6]J.Philippe,G.Arndt,E.Colinet,M.Savoye,T.Ernst,E.Ollier,J.Arcamone,IEEE27thInternationalConferenceonMicroElectroMechanicalSystems(MEMS)(2014)1071–1074.[7]刘凯,陈志东,邹德福,马丽敏.MEMS高温压力传感器研究与进展[J].仪表技术与传感器,2007,(9).