MEMS感測器

MEMS感測器即微機電系統（Microelectro Mechanical Systems），是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的套用前景。截止到2010年，全世界有大約600餘家單位從事MEMS的研製和生產工作，已研製出包括微型壓力感測器、加速度感測器、微噴墨列印頭、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中MEMS感測器占相當大的比例。MEMS感測器是採用微電子和微機械加工技術製造出來的新型感測器。與傳統的感測器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適於批量化生產、易於集成和實現智慧型化的特點。同時，在微米量級的特徵尺寸使得它可以完成某些傳統機械感測器所不能實現的功能。

基本介紹

• 中文名：MEMS感測器
• 外文名：MEMS SENSOR
• 含義：微機電系統
• 涉及：電子、機械、材料、物理學

套用

1.套用於醫療

MEMS感測器套用於無創胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由於胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚至只有放大作用的超聲都卜勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲都卜勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地區無法普及。此外，超聲振動波作用於胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用。儘管檢測劑量很低，也屬於有損探測範疇，不適於經常性、重複性的檢查及家庭使用。

基於VTI公司的MEMS加速度感測器，提出一種無創胎心檢測方法，研製出一種簡單易學、直觀準確的介於胎心聽診器和都卜勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

通過加速度感測器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然後進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數位訊號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最後輸出處理結果。

基於MEMS加速度感測器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進後能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號採集分析監護主機給出自動分析結果，醫生對該結果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利於孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利於胎兒和孕婦的健康。

2.套用在汽車電子

MEMS壓力感測器主要套用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種感測器用單晶矽作材料，以採用MEMS技術在材料中間製作成力敏膜片，然後在膜片上擴散雜質形成四隻應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連線成電路，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力感測器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。而MEMS加速度計的原理是基於牛頓的經典力學定律，通常由懸掛系統和檢測質量組成，通過微矽質量塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用於汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產品。微陀螺儀是一種角速率感測器，主要用於汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統，主要有振動式、轉子式等幾種。套用最多的屬於振動陀螺儀，它利用單晶矽或多晶矽的振動質量塊在被基座帶動旋轉時產生的哥氏效應來感測角速度。例如汽車在轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道，通常，它與低加速度計一起構成主動控制系統。

套用在汽車中的MEMS感測器

3.套用於運動追蹤系統

在運動員的日常訓練中，MEMS感測器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結果分析，反覆比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發展，MEMS感測器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛套用。
在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力感測器、加速度感測器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數據外，還可以記錄使用者的位置和距離。在衝浪方面也是如此，安裝在衝浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、衝浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

4.套用在手機拍照領域

在MEMS Drive出現之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現防抖(簡稱鏡頭防抖技術)，受到很大的局限。而另一個在市場上較高端的防抖技術：多軸防抖，則是利用移動圖像感測器(Image Sensor)補償抖動，但由於這個技術體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上套用。

憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術MEMS Drive類似一張貼在圖像感測器背面的平面馬達，帶動圖像感測器在三個旋轉軸移動。MEMS Drive 的防抖技術是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動，依靠精密算法，計算出馬達應做的移動幅度並做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。

手機拍照帶給我們隨時隨地的便捷，但是面對複雜的環境、多樣的拍照場景，人手拍照有無法避免的抖動，像是走著跑著躺著拍照，或者把手伸長、手握自拍桿自拍，無論哪種抖動，憑藉MEMS DRIVE馬達獨有的五軸防抖，和快速、精準控制的技術優勢，都能呈現出更清晰更銳麗的圖片。

研究現狀

1、微機械壓力感測器

微機械壓力感測器是最早開始研製的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。從信號檢測方式來看，微機械壓力感測器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎製造。從敏感膜結構來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結構。壓阻式壓力感測器的精度可達0.05%～0.01%,年穩定性達0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護範圍可達感測器量程的20倍以上,並能進行大範圍下的全溫補償。現階段微機械壓力感測器的主要發展方向有以下幾個方面。

(1)將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研製智慧型化的壓力感測器。
(2)進一步提高壓力感測器的靈敏度，實現低量程的微壓感測器。
(3)提高工作溫度，研製高低溫壓力感測器。
(4)開發諧振式壓力感測器。

2、微加速度感測器

矽微加速度感測器是繼微壓力感測器之後第二個進入市場的微機械感測器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產品是Kuehnel等人在1994年報導的AGXL50型。
國內在微加速度感測器的研製方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學研製的壓阻式微加速度感測器和清華大學微電子所開發的諧振式微加速度感測器。後者採用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結構為高度對稱的4角支撐質量塊形式，在質量塊4邊與支撐框架之間製作了4個諧振梁用於信號檢測。

3、微機械陀螺

角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。傳統的陀螺儀是利用高速轉動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結構複雜，使用壽命短，成本高，一般僅用於導航方面，而難以在一般的運動控制系統中套用。實際上，如果不是受成本限制，角速度感測器可在諸如汽車牽引控制系統、攝象機的穩定系統、醫用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性滑鼠、軍事等領域有廣泛的套用前景。常見的微機械角速度感測器有雙平衡環結構，懸臂樑結構、音叉結構、振動環結構等。但是，實現的微機械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導航系統所需的0.1°/h相差尚遠。

4、微流量感測器
微流量感測器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區容量小，回響時間短，適合於微流體的精密測量和控制。國內外研究的微流量感測器依據工作原理可分為熱式（包括熱傳導式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量感測器通過閥片將流量轉換為梁表面彎曲應力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號。該感測器的晶片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線性度優於5%。

5、微氣體感測器

根據製作材料的不同，微氣敏感測器分為矽基氣敏感測器和矽微氣敏感測器。其中前者以矽為襯底，敏感層為非矽材料，是當前微氣敏感測器的主流。微氣體感測器可滿足人們對氣敏感測器集成化、智慧型化、多功能化等要求。例如許多氣敏感測器的敏感性能和工作溫度密切相關，因而要同時製作加熱元件和溫度探測元件，以監測和控制溫度。MEMS技術很容易將氣敏元件和溫度探測元件製作在一起，保證氣體感測器優良性能的發揮。

諧振式氣敏感測器不需要對器件進行加熱，且輸出信號為頻率量，是矽微氣敏感測器發展的重要方向之一。北京大學微電子所提出的1種微結構氣體感測器，由矽梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。矽梁被置於被測氣體中後，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過測量矽梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對NO₂氣體濃度的檢測實驗表明，在0×10～1×10的範圍內有較好的線性，濃度檢測極限達到1×10，當工作頻率是19kHz時，靈敏度是1.3Hz/10。德國的M.Maute等人在SiNx懸臂樑表面塗敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到－0.099Hz/10的靈敏度。

6、微機械溫度感測器

微機械感測器與傳統的感測器相比，具有體積小、重量輕的特點，其固有熱容量僅為10J/K～10J/K，使其在溫度測量方面具有傳統溫度感測器不可比擬的優勢。開發了1種矽/二氧化矽雙層微懸臂樑溫度感測器。基於矽和二氧化矽兩種材料熱膨脹係數的差異，不同溫度下樑的撓度不同，其形變可通過位於梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重複性誤差為1.63%，精度為1.9%。

7、其他微機械感測器

利用微機械加工技術還可以實現其他多種感測器，例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度感測器，浙江大學研製的力平衡微機械真空感測器，中科院合肥智慧型所研製的振梁式微機械力敏感測器等。

分類

1、MEMS氣體流量感測器：高精度，檢測流量範圍廣，適用於各種需求的流量計測。

2、MEMS壓力感測器：性能偏差小的MEMS壓力感測器。

3、MEMS非接觸溫度感測器：對靜止人體也能檢測，高靈敏度的人體感應感測器。

4、MEMS開關：高頻，小型，長壽命的MEMS開關。

總結

中國在 MEMS 感測器領域的研究較晚，但已經成為不可或缺的力量，中國的部分專利權的創新主體協同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術創新發展中的資金阻滯，又有助於引導企業或單位技術創新意識，從而提高我國創新驅動效率，促進經濟快速而穩健的發展。

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