MEMS传感器的发展.doc

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。 1 MEMS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 1.1 MEMS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。 2 MEMS传感器的典型应用 2.1 MEMS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； 2.1.1 MEMS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。 2.1.2 MEMS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