MEMS传感器的现状及发展前景

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发展前景

集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]

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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StatusandDevelopmentProspectofMEMSSensors

Abstract:MEMSsensorisanewtypeofsensorwiththedevelopmentofnanotechnology.Ithasma nynewfeatures,whichhasagreatadvantageovertraditionalsensors.Inthepursuitofminia turizationofthecontemporary,itsgoodprospectsfordevelopment,willbesubjecttomorea

ndmoreattentioninvariouscountries.Firstly,theclassificationandtypicalapplicatio nofMEMSsensorareintroduced.Then,severalsensorsareintroduced.Finally,thedevelopm enttrendanddevelopmentprospectofMEMSsensorareanalyzed.

Keywords:MEMSsensor;accelerometer;gyroscope;nanotechnology;micro-

mechanism;micro-sensor

目录

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。

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。

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。

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