MEMS传感器的现状及发展前景

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MEMS传感器的现状及发展前景

摘要：MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用,然后着重对几个传感器进行了介绍,最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。 关键词：MEMS传感器; 加度计; 陀螺仪; 纳米技术; 微机构; 微传感器

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Status and Development Prospect of MEMS Sensors

Abstract: MEMS sensor is a new type of sensor with the development of nanotechnology. It has many new features, which has a great advantage over traditional sensors. In the pursuit of miniaturization of the contemporary, its good prospects for development, will be subject to more and more attention in various countries. Firstly, the classification and typical application of MEMS sensor are introduced. Then, several sensors are introduced. Finally, the development trend and development prospect of MEMS sensor are analyzed.

Key words: MEMS sensor; accelerometer; gyroscope; nanotechnology; micro-mechanism; micro-sensor

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目录

一、引言 ................................................................................................................................... 4 二、背景 ................................................................................................................................... 5

1.MEMS技术的发展 ......................................................................................................... 5

1.1MMES技术发展的浪潮 ....................................................................................... 5 2.目前已有的MEMS传感器 ............................................................................................ 5

2.1MEMS加速度计 ................................................................................................... 5 2.2微压力传感器 ..................................................................................................... 7 2.3MEMS陀螺 ........................................................................................................... 7 2.4微气体传感器 ..................................................................................................... 7

三、结语 ................................................................................................................................... 9

参考文献 ......................................................................................................................... 10

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一、引言

MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS器件的一个重要分支。1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技术的先河, MEMS技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。作为MEMS最重要的组成部分, MEMS传感器发展最快,一直受到各发达国家的广泛重视。美、日、英、俄等世界大国将MEMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。

随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展, MEMS传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工作环境等优势,极大地促进了传感器的微型化、智能化、多功能化和网络化发展。MEMS传感器正逐步占据传感器市场,并逐渐取代传统机械传感器的主导地位,已得到消费电子产品、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等各领域的青睐。

本文首先介绍了MEMS传感器的产品分类和典型应用。其次,从类别、工艺技术、性能指标、新型材料、最新产品及应用等方面详细阐述了MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪的研究现状。最后,对MEMS传感器发展趋势进行了展望。

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二、背景

广义上讲,MEMS是指可批量制作的,集微机构、微传感器、微执行器以及信号处理及控制电路,乃至通信和电源于一体的微型器件或机电系统。 1.MEMS技术的发展

1824年,硅的发现为微电子技术和MEMS技术的发展奠定了材料基础。1954年,发现了压阻效应,为微型压力传感器的研制奠定了理论基础。1967年提出了表面牺牲层工艺技术,并在此基础上制备出了具有高谐振频率的悬臂梁结构。1970年,美国Kuliet公司展示了第一款硅加速度计。1982年,德国提出一种以高深宽比结构为特色的LIGA工艺,用于制造微齿轮等卫星机械部件。1987年,MEMS作为一个正式的名字在美国诞生。2000年至今,MEMS高速发展,在声学MEMS、光学MEMS、生物MEMS和能源MEMS等需要领域出现了形形色色的微器件。

1.1MMES技术发展的浪潮

第一轮始于20世纪70年代末80年代初。1987年,美国加州大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,MEMS进入新纪元。这一时期MEMS产品主要为微型压力传感器。

第二轮出现于20世纪90年代,主要围绕CP和信息技术的兴起。(1)1993年,美国AD公司将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊;(2)同年,美国IT公司的数字微镜装置研制成功,从此彻底改变投影仪等视频装置的成像方式;(3)该时期出现的深度反应粒子刻蚀(DRI)E技术以及围绕该技术发展的多种新型加工工艺极大地推动了MEMS技术的发展。

第三轮出现在20世纪末,21世纪初。2002年,ADI的MEMS器件销售额超过1亿美元,但绝大部分仍来自汽车领域的安全气囊、导航、汽车报警和车辆动态控制系统等。

第四轮出现在2006年以后。(1)MEMS在汽车方面的应用继续推动市场,但其增长的真正驱动力转向手机、游戏系统和体育应用方面的消费品市场;(2)2006年,随着任天堂和索尼PS3等新一代游戏机开始采用MEMS加速度计,MEMS产业终于打破了过去10多年来依赖汽车应用的宿命[1]。 2.目前已有的MEMS传感器

2.1MEMS加速度计

MEMS加速度计,顾名思义,即是用来测量物体加速度的仪器,MEMS加速度计即为微型加速度计,同传统加速度计相比,其具有体积更小、质量更小的特点。根据测量原理,可分

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为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。 2.1.1压阻式微加速度计

压阻效应:在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时,其电阻率产生变化的现象。 工作原理:当外界有加速度输入时,由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用,悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变,并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变,由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变,进而压阻膜两端的电压值发生变化,从而可以通过实验得到一系列电压与作用的惯性力的关系,而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关,从而便可以得到电压与加速度的关系,进而完成对加速度的测量。

优点:(l)原理结构简单,传感器制作容易;(2)接口和内部电路容易实现。

缺点:(l)对于温度的变化十分敏感,会影响测量精度;(2)灵敏度比较低,不便于测量微小的加速度变化;(3)蠕变和迟滞效应比较明显。 2.1.2电容式微加速度计

基本原理:由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关,因此距离的变化可以通过电容的变化来测量,由电容变化得到位移变化,再进行微分运算便可完成加速度的测量。

工作原理:将质量块固连在基体上,并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连,另一个极板则与固定的基体固连。当有加速度作用时,质量块发生位移,上下电容发生变化,可以得到电容变化差值,进而得到加速度。

优点:(l)灵敏度和测量精度高;(2)稳定性好;(3)温度漂移小;(4)功耗极低;(5)过载保护力较强。

缺点:(l)读出电路复杂;(2)易受寄生电容影响和电磁干扰。 2.1.3压电式微加速度计

压电效应:一些电介质在受到外界的作用而发生形变时,在电介质的内部会发生极化,与此同时,在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷,当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,而当作用在电介质表面的力的方向发生了改变,则极化出的电荷的极性也会发生改变,这种现象称为压电效应。

工作原理:在弹性梁上覆盖一层压电材料膜,当有外界加速度作用于质量块时,在惯性力的作用下,弹性梁会因受到外力而产生变形,由于压电效应原理知,器件结构的上电极和下电极间会产生电压,由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式,得到加速度的变化,进而完成对加速度的测量。

优点:(1)结构比较简单;(2)容易测量。

缺点:(l)很难测量常加速度;(2)温度系数较大;(3)器件的线性度不够好;(4)压电材料价格比较昂贵。

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2.2微压力传感器

MEMS传感器的发展在近几年达到了发展的高峰期,追其根源,则可以追溯到20世纪60年代,首个硅隔膜压力传感器和应变计的发明打开了微传感器发展的大门,随后出现了各种各样的微传感器,但各种微传感器的发展并没有影响微压力传感器的地位,直到目前为止,微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广泛,影响最为深远的微传感器。根据不同的分类式,MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等,同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。微压力传感器在航空航天、车辆、控制等多种领域内都有广泛的应用。在对车辆进行安全性检测时,需要知道车辆一些部位的压力情况,以此来确保汽车处于安全工作状态,此时便可利用微压力传感器体积小等特点,测量到一些利用传统压力传感器难以测量的部位的压力,使车辆的安全系数更高。航空航天器在飞行的过程中,由于外界环境条件十分复杂,飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响,因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测,防止其超出材料所能承受的极限,同时在飞行器的发动机内部,不同的压力条件下发动机的工作性能会产生很大的不同,甚至在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作,因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要,利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。 2.3MEMS陀螺

角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高，但它的结构复杂，使用寿命短，成本高，一般仅用于导航方面，而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上，如果不是受成本限制，角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。因此,近年来人们把目光投向微机械加工技术，希望研制出低成本、可批量生产的固态陀螺。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构[2]，悬臂梁结构[3]、音叉结构[4]、振动环结构[5]等。但是，目前实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h，离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。 2.4微气体传感器

根据制作材料的不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关，因而要同时制作加热元件和温度探测元件，以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起，保证气体传感器优良性能的发挥[6]。

谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热，且输出信号为频率量，是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子所提出的1种微结构气体传感器[7]，由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。微梁被置于被测气体中后，表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加，使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得

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到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明，在0×10－4～1×10－4的范围内有较好的线性，浓度检测极限达到1×10－6，当工作频率是19kHz时，灵敏度是1.3Hz/10－ 6。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体，得到－0.099Hz/10－6的灵敏度。

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三、结语

随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟,越来越多的传感器开始向着微型化不断发展。利用MEMS技术加工制作的微型传感器具有微型化、集成化、低成本、易批量生产等一系列优点,其呈现出来的优势受到了越来越多国家的重视,很多国家也开始投入重金发展微型传感器。虽然目前己经开发出的微型传感器还存在灵敏度低、工作区窄、精度差等不足,但是相信随着科研的深入,以后的微型传感器一定可以克服现阶段的不足,呈现出蓬勃的发展生机。

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参考文献：

[1] 肖应超.MEMS传感器发展现状与应用[J].中国高新技术企业,2016,(35):46-47. [2] 周百令,张江安,储云仙. 双平衡环挠性陀螺接头疲劳寿命的可靠性预计[J]. 船舶

工程,1996,(01):50-58+3.

[3] 唐建飞. 自升式钻井平台悬臂梁结构优化设计研究[D].江苏科技大学,2016. [4] 邓允朋. 基于音叉效应的双质量块硅微陀螺仪结构优化设计[D].东南大学,2016. [5] 靳利波. 磁致伸缩位移传感器在汽车减震器中的应用研究[D].郑州大学,2013. [6] 潘小青,刘庆成. 气体传感器及其发展[J]. 东华理工学院学报,2004,(01):89-93. [7] 卜丹. 基于MEMS的硅梁谐振式气体传感器研制[D].黑龙江大学,2006.

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致谢

衷心的感谢我的老师刘林仙，在本课题研究过程中，得到了刘老师的悉心指导。在本学期中，在刘老师的热情帮助和督促下，不但使我顺利完成了毕业指导课论文，而且学习到了很多有用知识。刘老师专业知识渊博，治学态度严谨，特有的创新理念，对待学生严格要求，为我们树立了求学和工作的榜样。值此论文完成之际，对刘老师致以衷心的感谢！

衷心感谢同学在此期间给予的关怀、支持和帮助!

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