摘要：MEMS傳感器是隨著納米技術(shù)的發(fā)展而興起的新型傳感器，具有很多新的特性，相對(duì)傳統(tǒng)傳感器其具有更大的優(yōu)勢(shì)。在追求微型化的當(dāng)代，其具有良好的發(fā)展前景，必將受到各個(gè)國(guó)家越來(lái)越多的重視。文章首先介紹了MEMS傳感器的分類和典型應(yīng)用，然后著重對(duì)幾個(gè)傳感器進(jìn)行了介紹，最后對(duì)MEMS傳感器的發(fā)展趨勢(shì)與發(fā)展前景進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：MEMS傳感器；加速度計(jì)；陀螺儀；納米技術(shù)；微機(jī)構(gòu)；微傳感器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TH703 文章編號(hào)：1009-2374（2016）35-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.022

1 背景

廣義上講，MEMS是指可批量制作的，集微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器以及信號(hào)處理及控制電路，乃至通信和電源于一體的微型器件或機(jī)電系統(tǒng)。

1.1 MEMS技術(shù)的發(fā)展

1824年，硅的發(fā)現(xiàn)為微電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。1954年，發(fā)現(xiàn)了壓阻效應(yīng)，為微型壓力傳感器的研制奠定了理論基礎(chǔ)。1967年提出了表面犧牲層工藝技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上制備出了具有高諧振頻率的懸臂梁結(jié)構(gòu)。1970年，美國(guó)Kulite公司展示了第一款硅基加速度計(jì)。1982年，德國(guó)提出一種以高深寬比結(jié)構(gòu)為特色的LIGA工藝，用于制造微齒輪等衛(wèi)星機(jī)械部件。1987年，MEMS作為一個(gè)正式的名字在美國(guó)誕生。2000年至今，MEMS高速發(fā)展，在聲學(xué)MEMS、光學(xué)MEMS、生物MEMS和能源MEMS等需要領(lǐng)域出現(xiàn)了形形色色的微器件。

1.2 MEMS技術(shù)發(fā)展的浪潮

1.2.1 第一輪始于20世紀(jì)70年代末80年代初。1987年，美國(guó)加州大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微馬達(dá)，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)，MEMS進(jìn)入新紀(jì)元。這一時(shí)期MEMS產(chǎn)品主要為微型壓力傳感器。

1.2.2 第二輪出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞PC和信息技術(shù)的興起。（1）1993年，美國(guó)AD公司將微型加速度計(jì)商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊；（2）同年，美國(guó)TI公司的數(shù)字微鏡裝置研制成功，從此徹底改變投影儀等視頻裝置的成像方式；（3）該時(shí)期出現(xiàn)的深度反應(yīng)粒子刻蝕（DRIE）技術(shù)以及圍繞該技術(shù)發(fā)展的多種新型加工工藝極大地推動(dòng)了MEMS技術(shù)的發(fā)展。

1.2.3 第三輪出現(xiàn)在20世紀(jì)末，21世紀(jì)初。2002年，ADI的MEMS器件銷售額超過(guò)1億美元，但絕大部分仍來(lái)自汽車領(lǐng)域的安全氣囊、導(dǎo)航、汽車報(bào)警和車輛動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)等。

1.2.4 第四輪出現(xiàn)在2006年以后。（1）MEMS在汽車方面的應(yīng)用繼續(xù)推動(dòng)市場(chǎng)，但其增長(zhǎng)的真正驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)向手機(jī)、游戲系統(tǒng)和體育應(yīng)用方面的消費(fèi)品市場(chǎng)；（2）2006年，隨著任天堂和索尼PS3等新一代游戲機(jī)開始采用MEMS加速度計(jì)，MEMS產(chǎn)業(yè)終于打破了過(guò)去10多年來(lái)依賴汽車應(yīng)用的宿命。

2 目前已有的MEMS傳感器

2.1 MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)，顧名思義，即是用來(lái)測(cè)量物體加速度的儀器，MEMS加速度計(jì)即為微型加速度計(jì)，同傳統(tǒng)加速度計(jì)相比，其具有體積更小、質(zhì)量更小的特點(diǎn)。根據(jù)測(cè)量原理，可分為壓阻式微加速度計(jì)、電容式微加速度計(jì)、壓電式微加速度計(jì)。

2.1.1 壓阻式微加速度計(jì)。

壓阻效應(yīng)：在一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加一定的應(yīng)力時(shí)，其電阻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。

工作原理：當(dāng)外界有加速度輸入時(shí)，由理論力學(xué)原理得知質(zhì)量塊會(huì)受到一個(gè)慣性力的作用，懸臂梁在此慣性力的作用下會(huì)發(fā)生形變，并導(dǎo)致與懸臂梁固連的壓阻膜也發(fā)生形變，由壓阻效應(yīng)原理知壓阻膜的電阻值會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而壓阻膜兩端的電壓值發(fā)生變化，從而可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一系列電壓與作用的慣性力的關(guān)系，而作用的慣性力又與外界輸入的加速度有關(guān)，從而便可以得到電壓與加速度的關(guān)系，進(jìn)而完成對(duì)加速度的測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：（1）原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器制作容易；（2）接口和內(nèi)部電路容易實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)：（1）對(duì)于溫度的變化十分敏感，會(huì)影響測(cè)量精度；（2）靈敏度比較低，不便于測(cè)量微小的加速度變化；（3）蠕變和遲滯效應(yīng)比較明顯。

2.1.2 電容式微加速度計(jì)。

基本原理：由于電容的變化與兩極板之間距離的變化有關(guān)，因此距離的變化可以通過(guò)電容的變化來(lái)測(cè)量，由電容變化得到位移變化，再進(jìn)行微分運(yùn)算便可完成加速度的測(cè)量。

工作原理：將質(zhì)量塊固連在基體上，并將電容式微加速度計(jì)電容的一個(gè)極板同運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊固連，另一個(gè)極板則與固定的基體固連。當(dāng)有加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊發(fā)生位移，上下電容發(fā)生變化，可以得到電容變化差值，進(jìn)而得到加速度。

優(yōu)點(diǎn)：（1）靈敏度和測(cè)量精度高；（2）穩(wěn)定性好；（3）溫度漂移小；（4）功耗極低；（5）過(guò)載保護(hù)能力較強(qiáng)。

缺點(diǎn)：（1）讀出電路復(fù)雜；（2）易受寄生電容影響和電磁干擾。

2.1.3 壓電式微加速度計(jì)。

壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)在受到外界的作用而發(fā)生形變時(shí)，在電介質(zhì)的內(nèi)部會(huì)發(fā)生極化，與此同時(shí)，在該電解質(zhì)的表面會(huì)由于極化現(xiàn)象的產(chǎn)生而出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，而當(dāng)作用在電介質(zhì)表面的力的方向發(fā)生了改變，則極化出的電荷的極性也會(huì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

工作原理：在彈性梁上覆蓋一層壓電材料膜，當(dāng)有外界加速度作用于質(zhì)量塊時(shí)，在慣性力的作用下，彈性梁會(huì)因受到外力而產(chǎn)生變形，由于壓電效應(yīng)原理知，器件結(jié)構(gòu)的上電極和下電極間會(huì)產(chǎn)生電壓，由此便可通過(guò)測(cè)量電壓的變化確定數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化公式，得到加速度的變化，進(jìn)而完成對(duì)加速度的測(cè)量。

優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單；（2）容易測(cè)量。

缺點(diǎn)：（1）很難測(cè)量常加速度；（2）溫度系數(shù)較大；（3）器件的線性度不夠好；（4）壓電材料價(jià)格比較昂貴。

2.2 微壓力傳感器

MEMS傳感器的發(fā)展在近幾年達(dá)到了發(fā)展的高峰期，追其根源，則可以追溯到20世紀(jì)60年代，首個(gè)硅隔膜壓力傳感器和應(yīng)變計(jì)的發(fā)明打開了微傳感器發(fā)展的大門，隨后出現(xiàn)了各種各樣的微傳感器，但各種微傳感器的發(fā)展并沒(méi)有影響微壓力傳感器的地位，直到目前為止，微壓力傳感器仍然是各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，影響最為深遠(yuǎn)的微傳感器。根據(jù)不同的分類方式，MEMS壓力傳感器可分為壓阻式、電容式和諧振式等，同時(shí)也可分為圓形、方形、矩形和E形等。

微壓力傳感器在航空航天、車輛、控制等多種領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。在對(duì)車輛進(jìn)行安全性檢測(cè)時(shí)，需要知道車輛一些部位的壓力情況，以此來(lái)確保汽車處于安全工作狀態(tài)，此時(shí)便可利用微壓力傳感器體積小等特點(diǎn)，測(cè)量到一些利用傳統(tǒng)壓力傳感器難以測(cè)量的部位的壓力，使車輛的安全系數(shù)更高。航空航天器在飛行的過(guò)程中，由于外界環(huán)境條件十分復(fù)雜，飛行器的外表面可能受到各種載荷的影響，因此需要對(duì)飛行器外表面所受到的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止其超出材料所能承受的極限，同時(shí)在飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，不同的壓力條件下發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能會(huì)產(chǎn)生很大的不同，甚至在一些極端的條件下壓力過(guò)大過(guò)小會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就顯得十分重要，利用微壓力傳感器則可順利完成這些工作。

2.3 MEMS陀螺

在飛機(jī)飛行的過(guò)程中，需要對(duì)飛機(jī)的俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)三個(gè)自由度進(jìn)行測(cè)量，不光需要測(cè)量加速度，還需要測(cè)量角速度。加速度可以使用加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，而角速度的測(cè)量一般是利用陀螺儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。目前使用的陀螺儀利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有定軸性，當(dāng)具有角度偏轉(zhuǎn)時(shí)，可以測(cè)量出偏轉(zhuǎn)的角度，進(jìn)行微分計(jì)算則可以得到角速度?，F(xiàn)在在飛機(jī)上使用的陀螺儀由于外部條件的要求，其精度十分高，但高精度帶來(lái)的代價(jià)就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壽命短，使其使用成本大幅增加。因此，目前為止，這種陀螺儀也僅僅使用在需要高精度的導(dǎo)航方面。實(shí)際上，角速度傳感器可在生活軍事等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著微機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，制造精度的不斷提高，制造可批量生產(chǎn)、精度較高的微型陀螺已經(jīng)成為可能。但是盡管已經(jīng)有各種新型的微陀螺誕生，但尤于其還是一個(gè)剛剛起步的行業(yè)，有許多的問(wèn)題還需要不斷改進(jìn)，且目前已經(jīng)生產(chǎn)出的微陀螺，其測(cè)量精度較差，只能說(shuō)可以實(shí)現(xiàn)功能，根本無(wú)法應(yīng)用到實(shí)際，因此微型陀螺的發(fā)展仍然任重而道遠(yuǎn)。

2.4 微氣體傳感器

目前大氣污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，PM2.5成為人們關(guān)心的話題，發(fā)展各種不同性能的氣體傳感器也成為各國(guó)政府所重視的問(wèn)題，微氣體傳感器應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)微氣體傳感器制作材料的不同，微氣體傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。微氣體傳感器由于可以集成各種傳感器于一塊芯片，其便滿足了人們?cè)跍y(cè)量氣體時(shí)多種測(cè)量的需要。例如許多氣敏傳感器在不同的工作溫度下可能測(cè)量會(huì)有明顯的差異，每個(gè)氣敏傳感器都有一個(gè)屬于自己的最佳測(cè)量溫度。因此在測(cè)量氣體的時(shí)候，還需要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，以確定傳感器適用的計(jì)算公式。目前微機(jī)械制造技術(shù)發(fā)展比較完善，微納米技術(shù)的發(fā)展更是讓一個(gè)芯片可以完成很多不同的功能，將氣敏傳感器同溫度傳感器集成到同一個(gè)芯片之上，便可以在測(cè)量氣體的同時(shí)測(cè)量溫度，保證氣體測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2.5 微溫度傳感器

微溫度傳感器體積小、重量輕，其固有熱容量小，在溫度測(cè)量方面具有比現(xiàn)有的熱敏電阻等溫度傳感器更大的優(yōu)勢(shì)。目前已開發(fā)的微懸臂梁溫度傳感器，利用了硅和二氧化硅兩種材料熱膨脹系數(shù)的不同。在不同的溫度下，硅和二氧化硅的形變量不同，使得與其固連的懸臂梁的不同部分的形變量也不相同，而其形變可通過(guò)位于懸臂梁底部的檢測(cè)電路來(lái)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)測(cè)量在不同溫度下的不同形變，便可確定溫度與形變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而便可以通過(guò)形變來(lái)確定溫度。這種測(cè)量方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的精度，非線性誤差也較小，可以在比較大的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著微納米技術(shù)的發(fā)展、微機(jī)械制造技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的傳感器開始向著微型化不斷發(fā)展。利用MEMS技術(shù)加工制作的微型傳感器具有微型化、集成化、低成本、易批量生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)，其呈現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)受到了越來(lái)越多國(guó)家的重視，很多國(guó)家也開始投入重金發(fā)展微型傳感器。雖然目前已經(jīng)開發(fā)出的微型傳感器還存在靈敏度低、工作區(qū)窄、精度差等不足，但是相信隨著科研的深入，以后的微型傳感器一定可以克服現(xiàn)階段的不足，呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展生機(jī)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：肖應(yīng)超（1994-），男，陜西西安人，西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院學(xué)生，研究方向：探測(cè)制導(dǎo)與控制技術(shù)。

（責(zé)任編輯：蔣建華）