MEMS传感器及其应用研究

1、MEMS传感器及其应用 徐敏敏 池明敏 黄夏静 滕风辉 张晓雯 王春柱 余莉莉 周彦祺 黄钰葭 黄道目录1 引言2.MEMS的发展历史3.什么是MEMS传感器4.MEMS传感器的特点5.MEMS传感器的研究内容6.MEMS在各个领域的应用7.MEMS相关公司介绍8.MEMS的封装MEMS的发展历史MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于20世纪9

2、0年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。 目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的片上实验室生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。 引言 传感器种类多样，因此根据用途、原理都有特定的分类。例如 霍

3、尔传感器、温度传感器、压力传感器等等。而传感技术在近年来也得到了长足的发展，MEMS 就是最具代表性的例子，MEMS技术让我们能够在有限的空间内最大限度地发挥传感器的功能，广泛用于多种场合。那么什么是MEMS呢？ 什么是MEMS传感器?微机电系统（Microelectromechanical Systems，MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。 MEMS（微机电系统）是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 MEMS特点微型化智能化多功能高集成

4、度适于大批量生产 MEMS研究内容MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：一、MEMS理论基础在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（Scaling Effects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学

5、、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。二、MEMS技术基础 MEMS的技术基础可以分为以下几个方面：（1）设计与仿真技术；（2）材料与加工技术；（3）封装与装配技术；（4）测量与测试技术；（5）集成与系统技术等 三、MEMS应用研究 人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。MEMS还用于大量声波双工器（BulkAcou

6、sticWaveduplexer）与滤波器、麦克风、MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。MEMS压力传感器MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS（轮胎压力监测系

7、统）、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。 典型的MEMS压力传感器典型的MEMS压力传感器管芯（die）结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和A

8、DC管芯封装在一个封装内（MCM），使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。 在军事中的应用 作为一个在海上应用的实例 ,MEMS引信 /保险和引爆F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独立步骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸保险 。陆地上的应用包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用 MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布式战场微型传感器网络系统是可以准确地探测与查明敌人的作战部署与军队调动的新型探测装置 ,这种微型机电系统在布设、耐久和易损

9、性等方面有明显的优点。在空中应用方面 ,MEMS压力传感器已在 F-14战斗机弹射座的助推火箭上进行了测试 。喷射式涡轮发动机使用的适于在恶劣环境下工作的材料 ,被用于各种监视该类发动机内部动力学特性的传感器上。 生物医疗和生物医学方面的应用 微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 ,可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应

10、用甚广。MEMS的微小 可进入很小的器官和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风险。同时 ,可进行基因分析和遗传诊断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大 ,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。游戏机游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例，微型运动传感器能够捕捉到玩家任何细微的动作，并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来，玩家陶醉于真实的游戏体验，

11、通过不同的动作融入到游戏中。例如，模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作等（图3）。图3：MEMS使玩家动起来 图 4：MEMS运动控制式用户界面 MEMS加速计MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提高，目前市场上采用MEM加速计的手机越来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面变得更简单、更直观，通过手的动作就可以操作界面功能，全面增强了用户的使用体验。 基于MEMS的线性加速计MEMS加速计根据终端设备的指向，MEMS传感器可以把图像、视频和网页(无论是人物肖像还是风景画面)进行旋转。通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机菜单；只要轻轻击打手机

12、机身，就可以在屏幕上选中不同的图标，所有这些智能功能离不开新一代MEMS器件内嵌的先进数字技术。有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜，就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的动作，这个简单的手势可以让播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术，当手机没有关闭放在饭桌上时，MEMS传感器将会把耗电大的模块(如显示器背光板和GPS模块)全部关闭，以降低手机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身，又可以打开全部功能。同样地，无论何时，把手机正面向下反放在桌子上，手机设置就会切换到静音模式；只要碰触一下机

13、身，就可以关闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样子：只有数量很少的按键，不再有普通的键盘。向手机输入信息时，用户在空中书写数字和字母，MEMS传感器识别这些动作，手机软件将这些动作还原成数字和字母；软件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。MEMS加速计与陀螺仪配合使用，可以把更先进的选择功能变为现实，例如：能够在空中操作的三维鼠标和遥控器。在这些设备中，传感器检测到用户的手势，将其转换成PC屏幕上的光标移动或机顶盒和电视机的频道和功能选择。图5是一个含有MEMS传感器的遥控器解决方案，MEMS传感器组、两个陀螺仪和一个加速计检测手腕或鼠标在空中的动作，同时微控制器执行动

14、作跟踪和手势识别功能。然后，重组的运动曲线通过无线连接发送到机顶盒或PC机，无线链路可以采用红外或射频，具体视应用要求而定。图7 在汽车领域，MEMS被用于导航和信息娱乐设备中 MEMS陀螺仪 陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴运动的角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺仪这两种传感器，系统设计人员就可以跟踪并捕捉三维空间的完整运动，为最终用户提供现场感更强的用户使用体验、精确的导航系统以及其它功能。陀螺仪在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电机驱动部分和加速传感器感应电路两部分：- 电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元件前后振荡，产生谐振;- 感应部分

15、通过测量电容变化来测量科里奥利力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线，能够提供强度与施加在传感器上的角速率成正比的模拟或数字信号。iPhone目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重力加速计和陀螺仪的功能，例如被用在iPhone中。通过对旋转时运动的感知，iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。iPhone4到底用上了哪些传感器呢？iPhone4中的传感器1)影像传感器 简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电子，没有机械成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件 也过

16、大，不到微的地步，所以此属于光电半导体，属于光学、光电传感器。2)亮度传感器外界并不清楚iPhone4用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式是用一个光敏电阻，或者，iPhone4直接用影像传感器充当亮度侦测，也是可行。无论如此，此亦不带机械成份，属于光电类传感器，甚至可能不是微型的，只是一般光学、光电传感器。3)磁阻传感器简单讲就是感测地磁，这样讲还是太学名，感应地磁就是指南针原理，将这种地磁感应电子化、数字化，就称为数字指南针（DigitalCompass）。老实说，数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测地磁的磁阻传感器，很容易受环境影响（如高压电塔旁、马达旁），必须时时校正才有用。

17、iPhone4中的传感器4)近接传感器近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线（例如便利商店的自动门、公共厕所的自动冲水器），可以是超音波、雷射等。同样的，Apple没讲，我们只能乱猜或尽可能网搜，不过，近接传感器也没有迫切微型化的需要，不在热门MEMS组件之列。5)声波传感器学名声波传感器，俗名麦克风。是的，iPhone4为了强化声音质量，使用2组麦克风与相关运算来达到降噪（降低噪音）的效果，这种技术称为数组麦克风（ArrayMIC），事实上早在Apple实行之前，2004年Wintel就已经在PC上提出过，差别是Apple用于手机，Wintel用于PC。麦克风需要微型化吗？是的，需要，相

18、当需要，且使用一个以上的麦克风，麦克风的体积缩小需求就更迫切，麦克风也牵涉到机械（声波会使微型机械振动），并将机械振动转换成电子信号，因此微型化的麦克风，是个不折不扣的MEMS传感器。iPhone4中的传感器6)加速度传感器俗称加速规、G-Sensor，可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。加速度传感器一般有X、Y两轴与X、Y、Z三轴两种，两轴多用于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面，也是靠这个传感器。7

19、)角加速度传感器更简单讲就是陀螺仪，陀螺仪实现技术有机械式与光学（红外线、雷射）式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心，进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多应用多半是混何使用加速度传感器与陀螺仪，而今iPhone4也从善如流。不过，iPhone4确实是率先使用陀螺仪的手机。说了这么多，真的称得上MEMS传感器的，其实只有麦克风、加速度传感器、陀螺仪三个，其他的传感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本没用及机械技术。MEMS的公司从全球看，MEMS产品是由一些美国和亚洲公司开发的，包括意法半导体（ST）、og Devices公司（ADI）、惠普公司（HP

20、）、德州仪器公司（TI），以及Memsic公司。下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品的现况。意法半导体公司意法半导体公司是最大的MEMS制造商之一，提供单轴和多轴陀螺仪的广泛选择，各种满量程区间，适用于数位相机和数位录像机的影像稳定，以及提高戏应用中的用户体验。ST公司还提供3轴陀螺仪，能精确地测量沿三个正交轴的角速度。另外，STM还用下一代微电机声学器件扩展了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的传感器技术，能够大幅地提高声音质量，有出色的可靠性、健壮性，同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效益，如手机、无线设备以及手持戏机等。关键是，MEMS麦克风可以做得比最小的驻极

21、体电容式麦克风（electrets condenser microphone）还要小，而对度变化、机械振动和电磁干扰更不敏感。 ADI公司ADI公司同时提供类比与数位型的全向MEMS麦克风。最近，ADI与英飞凌科技公司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系统。这个ADI-英飞凌合作计划将确保两家公司相应产品发展蓝图的协调一致，以及各自传感器与芯片组的互通性。这个合作也将加速先进气囊系统的发展，为安全系统供应商和OEM商提供一个完整的设计平台，从而实现一种可靠、具成本效益和易于使用的先进气囊方案。惠普公司惠普公司最近推出一种惯性探测技术（inertial sensing technology），能够用来开发可当作高阶传感器使用的数位MEMS加速度计。HP预计该技术将使芯片的灵敏度比今天市场上的批量产品提高1000倍。这种传感器是以该公司已率先商业应用在其打印机墨盒的MEMS技术为基础。 MEMS的封装显然地，MEMS已在我们今天常生活中的各种应用中扎下根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小，从而能够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方并非一片光明