MEMS技术与其应用(整理版)
MEMS传感器及其应用
MEMS传感器及其应用张雷（机械传动实验室）摘要: 和传统的传感器相比，微型传感器具有许多新特性，它们能够弥补传统传感器的不足，具有广泛的应用前景，越来越受到重视。
文中简单介绍了一些微型传感器件的结构和原理及其应用情况。
关键词: MEM压力传感器；MEM加速度传感器；应用1 引言微机电系统（Microelectro Mechanical Systems,MEMS）是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。
经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。
它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。
目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中微传感器占相当大的比例。
微传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。
与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
本文概述国内外目前已实现的微机械传感器特别是微机械谐振式传感器的类型、工作原理、性能和发展方向。
2 .MEMS传感器的特点及分类2.1MEMS传感器特点MEMS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。
MEMS是微电子机械系统的缩写，一般简称微机电。
如图1所示，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，区别是用MEMS工艺实现传统传感器的机光电元器件。
后者功能是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量引入的失真，进而恢复真实的被测量。
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。
基于MEMS技术的传感器设计与应用
基于MEMS技术的传感器设计与应用近年来，随着科学技术的不断发展，微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术在传感器设计与应用领域逐渐得到广泛应用。
MEMS传感器以其小巧、低功耗、高灵敏度和快速响应等特点，已经成为现代科技发展中不可或缺的部分。
本文将从MEMS传感器的基本原理、设计和应用角度，探讨其在现实生活中的重要性和应用前景。
首先，我们来了解一下MEMS传感器的基本原理。
MEMS传感器使用微米级别的加工技术，将电子元器件、机械元件和传感器相互结合，实现对物理量的测量和检测。
其基本工作原理是利用微机电系统制造工艺，将微小的机械振动转化为电信号，通过电路进行信号放大和处理，实现对物理量的检测和测量。
在MEMS传感器的设计过程中，需要考虑多个参数，包括传感元件的灵敏度、响应时间、功耗、稳定性和可靠性等。
首先，灵敏度是传感器设计中最为重要的指标之一。
它决定了传感器对待测物理量变化的响应程度。
其次，响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出满足一定条件的时间。
较短的响应时间意味着传感器对于快速变化的物理量更为敏感。
此外，功耗也是设计中需要考虑的重要指标。
低功耗的传感器可以提高电池续航能力，并减少能源供应对传感器的需求。
最后，稳定性和可靠性是指传感器在长期使用和在不同环境下的性能保持一致。
良好的稳定性和可靠性保证了传感器在各种应用中的准确性和可操作性。
基于MEMS技术的传感器在许多领域都有广泛的应用。
例如，在汽车工业中，MEMS传感器被广泛应用于安全气囊控制系统和车辆稳定控制系统中。
通过检测车辆的动态参数，如加速度和角速度，MEMS传感器能够及时触发安全气囊并提供车辆稳定性控制的依据。
此外，MEMS传感器还广泛应用于智能手机、平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品中。
通过加速度传感器和陀螺仪等MEMS传感器，智能手机等设备可以实现自动旋转屏幕、姿势识别等功能。
微电子机械系统(MEMS)技术在军工和民生的应用及发展前景
微电子机械系统（MEMS）技术在军工和民生的应用及发展趋势引言微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS）是20世纪80年代末在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一种新兴技术，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究设计制造具有特定功能的微型装置。
它结合了机械可动结构和大规模、低成本、微电子加工的优点，在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁等信号的相互作用。
微电子机械系统通常指特征尺度大于1nm小于1μm，结合电子和机械部件并集成了IC工艺的装置。
MEMS在航空、航天、军事、汽车、生物医学、环境监控等人们所接触到的几乎所有领域都有十分广阔的应用前景，它是未来国防领域及国民生活领域的关键技术和支撑技术。
MEMS的突出特点有：1．微型化：MEMS硬件不仅体积小而且重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高。
2．以硅为主要材料，机械电器性能较好；硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导接近钨。
3．多样化：MEMS含有数字和总线接口，具有在网络中应用的条件，便于与PC系统集成。
4．集成化：可以把不同功能，不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成在一起，或形成微传感器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。
微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。
5．多学科交叉：MEMS技术集成了电子信息，机械制造，材料与自动控制，物理，化学等诸多学科，并应用了当今许多高科技成果。
MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，MEMS工艺已经应用于军民生活中。
本文就它在国防和民用领域的应用作一介绍，并分析它未来的发展前景。
一、MEMS技术在军事设备中的应用状况众所周知，最尖端的科技总是先应用于国防，MEMS也一样，军事领域是它应用最早的领域之一。
这很大程度上推动了MEMS技术的飞速发展。
当前，MEMS技术在军事上的应用被世界各个国家所重视。
mems压力传感器原理及应用
mems压力传感器原理及应用一、MEMS压力传感器的基本原理MEMS压力传感器是一种微机电系统（MEMS）技术应用的传感器，它通过测量介质的压力来实现对物理量的检测。
其基本原理是利用微机电系统技术制造出微小结构，通过这些结构对介质产生的压力进行敏感检测，并将检测到的信号转换为可读取的电信号。
二、MEMS压力传感器的结构1. 敏感元件：敏感元件是MEMS压力传感器最核心的部分，它通常由微型弹性薄膜或微型悬臂梁等制成。
当介质施加在敏感元件上时，它会发生形变，从而改变其阻抗、电容、电阻等物理参数。
2. 支撑结构：支撑结构是用于支撑敏感元件和保持其稳定工作状态的部分。
通常采用硅基板或玻璃基板制成。
3. 封装壳体：封装壳体主要用于保护敏感元件和支撑结构不受外界环境影响，并提供良好的密封性和机械强度。
三、MEMS压力传感器的工作原理1. 压电式压力传感器：压电式压力传感器是利用压电效应来测量介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，并产生相应的电荷，从而实现对介质压力的检测。
2. 电阻式压力传感器：电阻式压力传感器是利用敏感元件阻值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其阻值大小。
3. 电容式压力传感器：电容式压力传感器是利用敏感元件与基板之间的微小空气间隙产生的电容值随着形变程度的变化来检测介质的压力。
当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其与基板之间空气间隙大小。
四、MEMS压力传感器的应用1. 工业领域：MEMS压力传感器广泛应用于工业自动化、流量计量、液位控制等领域中。
2. 汽车领域：MEMS压力传感器在汽车领域的应用主要包括轮胎压力检测、制动系统控制、发动机燃油喷射等方面。
3. 医疗领域：MEMS压力传感器在医疗领域的应用主要包括血压计、呼吸机等方面。
4. 生物医学领域：MEMS压力传感器在生物医学领域的应用主要包括心脏起搏器、人工耳蜗等方面。
cmos mems技术与应用
cmos mems技术与应用CMOSMEMS （ComplementaryMetalOxideSemiconductorMicro-Electro-Mechani calSystems）技术是一种利用集成电路上金属氧化物半导体（MOS）来制造微机电系统（MEMS）元件的技术，是一种新型的微系统技术，它能够将微机电系统（MEMS）与集成电路（IC）结合在一起，实现小型、节能、耐用的解决方案。
CMOS MEMS技术的优势在于它可以利用常见的MOS材料来实现小尺寸的MEMS元件，而且价格低廉，因此，它可以用于制造各种低成本的微机电系统（MEMS）应用，如检测、显示、控制和传感器等。
CMOS MEMS技术的关键步骤是将普通的MOS微管作为一种低成本的机械制造材料，再利用一系列复杂的工艺进行制作，如涂层、加热、刻蚀、熔融、金属电镀等。
二、CMOS MEMS技术的应用CMOS MEMS技术可以用于制造各种小型的微机电元件，如传感器、移动式机械执行元件和微液滴系统等，并把它们集成到一个系统中，实现快速甚至是实时的检测和控制功能，包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、热释电传感器等。
此外，CMOS MEMS技术还可以用于制造各种精密机械元件，如驱动电机、驱动凸轮机构、推拉动力接合机构和各种气动元件，这些集成元件具有体积小、重量轻、低能耗、耐高温、耐腐蚀等优势，可以应用于航天器、汽车和医疗保健等行业，从而推动各类创新新产品的研发。
三、未来发展趋势随着技术的不断进步，CMOS MEMS技术的应用越来越多，未来几年，人们可以期待更多的应用，如物联网、自动驾驶以及人工智能等领域。
此外，由于CMOS MEMS技术中制造过程的复杂性，传统方法难以实现大部分MEMS元件的高积分化、三维集成和尺寸缩小，因此，研究人员正在研究新的技术，如智能制造技术，以实现CMOS MEMS技术应用上更高的精度。
四、结论CMOS MEMS技术是一种新兴的微系统技术，它能够将微机电系统元件与集成电路结合在一起，实现小型、节能、耐用的解决方案，可以用于各种低成本的应用，如传感器、气动机构和机械元件等，并有望在物联网、自动驾驶以及人工智能等领域得到更广泛的应用。
MEMS的应用
MEMS的应用一．手机方面移动电话的销售量每年都达到上亿部，虽然新用户是重要市场，但这些销售量的大部分来源是将其已有移动电话升级为带有最新功能的新电话的用户。
移动电话制造商和业务供应的生存问题取决于在原有常规功能的基础上提供新的“必备”功能的能力。
业务供应商需要这些新功能带来的增值业务以提高其收益（照相手机即是一个很好的例子——照相手机用户通过业务供应商的无线网络给他们的朋友发送图片或视频，从而为业务供应商带来重要的积极收入），同时移动电话制造商需要定期地更新他们具有新功能的系列产品以防止他们的产品过于商业化。
使用MEMS加速度计的运动检测技术能提供许多新功能，包括增强移动电话可用性、可靠性和允许启动的新功能。
确实，一旦手持中装有加速度计这种硬件，只要简单地增加软件便可实现其几种新的功能。
本文将介绍移动电话几种新功能并解释其工作原理。
本文也讨论在每一个应用中起重要作用的器件性能。
应当注意的是，本文中提到的一些应用和（或）算法可能受专利权保护。
这里对它们的介绍仅为教学目的。
建议读者在将这些技术用于产品设计之前尚需付出努力。
拿起电话检测实际上最好的手势识别系统采用用户根本不用学习的自然动作。
一个很好的例子就是拿起振铃电话。
虽然人们已经习惯于按“发送（send）”按钮接听电话，但是拿起电话并且将它移到耳边则更加直觉。
通过使用加速度计，当感觉到移动电话在响铃后就已经启动了正在被移动的手机。
拿起电话移到耳边所产生的运动信号可被加速度计检测到并且被微控制器中断。
如图1所示，在各种情形下每一个人拿起电话所产生的运动流程极其相似。
这种类型的运动（当运动加速度在瞬时之后减速到零并且它的位置发生变化，正如由15 cm～100 cm范围内的两位整数确定的位置变化）相当普遍，所以当电话振铃时产生的这种运动几乎确定地表示拿起电话。
这个概念是可靠的手势识别的关键因素之一：使用前后关系有助于理解动作的可能含义。
图1. 移动电话放到你的耳边时的典型加速度波形利用一只±2g测量范围的三轴加速度计对于上述应用已经足够。
射频MEMS传感器的原理及应用
射频MEMS传感器的原理及应用射频MEMS传感器（RF-MEMS）是一种应用于射频（RF）领域的微机电系统（MEMS）技术。
它利用微机电技术的晶圆加工工艺制造出微小的机械结构，并结合射频电路，实现对射频信号的感知、调控和处理。
射频MEMS传感器在无线通信、雷达、卫星通信和无线传感等领域具有广泛的应用。
射频MEMS传感器的工作原理是利用微机电系统制造微小的机械结构，通过改变这些结构的机械状态来改变射频信号的特性。
其中主要包括以下几种类型的射频MEMS传感器：1. 变容型传感器：利用机械结构的变形来改变电容值，进而改变射频电路的特性。
这种传感器常用于射频调谐电路中，用于调整天线的谐振频率。
2. 可调谐滤波器：利用机械结构的可变状态来调节滤波器的通带和阻带。
这种传感器常用于无线通信系统中，用于滤除不需要的频率成分。
3. 可变振膜传感器：利用机械结构的变形来改变振膜的频率响应，进而实现对射频信号的调制和解调。
这种传感器常用于音频振膜、压电振膜和麦克风等应用中。
射频MEMS传感器具有以下几个显著的优点：1. 大范围可调性：由于射频MEMS传感器利用微机电系统制造微小的机械结构，因此可以实现大范围的尺寸和电性能调节。
这使得射频MEMS传感器能够满足不同应用场景的需求。
2. 低功耗：射频MEMS传感器的工作原理是利用机械结构的变形来改变射频信号的特性，因此不需要耗费大量的能量来实现信号的调控和处理。
这使得射频MEMS传感器能够在电池供电的无线传感系统中得到广泛应用。
3. 高稳定性：射频MEMS传感器的机械结构通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和抗干扰性。
这使得射频MEMS传感器适用于复杂的工作环境和极端的温度条件下。
射频MEMS传感器在各个领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 无线通信：射频MEMS传感器可以用于调节天线的谐振频率，实现天线的可调谐性和多频段支持。
同时，射频MEMS传感器可以用于滤除不需要的频率成分，提高通信系统的抗干扰性和频谱利用效率。
MEMS应用
一、MEMS在军事上的应用
武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合 超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理 军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值导分布式传感器系统 小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成微流量系统 武器安全、保险和引信 有条件保养的嵌入式传感器和执行器 高密度、低功耗的大规模数据存储器件 敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件 飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动、共形表面
作为微执行器的特点 寿命、可靠性高（无转动的部件） 成本 体积和重量
微型加速度传感器在侵彻武器引信中的应用
侵彻武器概念与作用
美国在90年代初期开始研究硬目标灵巧引信（ETSF），侵彻武器通常以 每秒几千英尺的速度穿入地面、混凝土、岩石或其它的坚硬物质，其运 动的平均加速度可达到地球上物体所受重力加速度的 2 万倍，最大加速 度可达重力加速度的几十万倍，要求所用加速度传感器既能抗击这样苛 刻的工作环境，同时又能识别冲击与钻入的整个过程。因此，侵彻武器 用传感器要有较宽的测量范围、可经受极端冲击的坚固结构。
加速度传感器在汽车中的应用
安全气囊 工作范围0-±50g 安装位置：汽车发生碰撞时受到挤压的部位/非挤压的区域
悬挂系统 测量范围为0-2g。 暴露恶劣环境中，需复杂封装，价格高于安全气囊的加速度计
防锁定制动系统（anti-lock braking system） 用于中档和高档的汽车
加速度传感器在汽车中的应用
人工胰腺 葡萄糖传感器+胰腺素补充泵
体内显微手术、检查、释药
三大组成部分 运动、探测（要求可视化）、操作
优缺点
微创/无创——利用人体天生的入口或极小切口，避免损 伤健康的组织，康复快、痛感小 效果好——直接针对病毒 药量小——避免对健康组织的药物作用 操作困难
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主要内容
MEMS技术简介 MEMS技术应用 微机械制造技术 MEMS器件
MEMS简介
What is MEMS Technology?
MEMS (microelectromechanical systems) are devices that involve integrated micro-devices or systems, usually comprised of electrical and mechanical components, produced using microelectronics-compatible batch-processing techniques. These systems merge computation with sensing and actuation to perceive the physical world at a miniaturized level.
由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人 的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的 紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。
微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计 和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器 和微系统等方面）的一门科学。
国外MEMS 技术在引信中的应用
MEMS 技术在精确打击弹药引信中的应用
美国FMU2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信及加速度计
MEMS 技术在灵巧弹药引信中的应用
采用MEMS 技术的弹道修正引信
装有弹道修正引信的MK64 制导炮弹
MEMS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应用
单兵20 mm 高爆 榴弹微机电引信
MEMS定义
早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人 员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件， 如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块
硅片上，就是微机电系统——MEMS: Microelectromechanical System。
世界上第一个微静电马达
What is the peculiarity of MEMS technology?
MEMS是受到集成电路工艺的启发而发展起来的，它不仅具有集 成电路系统的许多优点，同时集约了多种学科发展的尖端成果。
1、微型化特点 2、多样化特点 3、稳定性特点
4、集成化特点 5、批量化特点 6、广义化特点
MEMS的应用
Application Fields of MEMS
由于MEMS器件和系统具有体积小、重量 轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、 功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比 拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医 学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所 有领域中都有着十分广阔的应用前景。
在军事上的应用
MEMS已在空间超微型卫星上得到应用 ,该卫星外形尺寸为 2. 54 cm ×7. 62 cm ×10. 6 cm,重量仅为 250 g 。2000年 1月 ,发射的两颗试验小卫星是证明空基防 御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是 ,因其飞行寿命短 ,所以 ,暴 露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的 RF开关在太空应用中表 现出优异的性能 ,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例 ,MEMS 引信 /保险和引爆半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试, F/SA 装 置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信 /保险和引爆装置的工作包括 3个独 立步骤:发射鱼雷后 ,解除炸药保险、引爆 引信 和防止在不正确时间爆炸 保险 。 使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术 ,MEMS F/SA器件要比传统的装置小 1 个数量级 ,可安装在 15. 88 cm的鱼雷上 ,这是其他方法做不到的 .
航空航天的应用
在 1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念 。 即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组 合而成 ,这样 ,可使整个卫星的质量缩小到以 kg计算 ,从而使卫 星的成本大幅度降低 。
美国提出的硅固态 卫星的概念图，这 个卫星除了蓄电池 外，全由硅片构成 ，直径仅15cm。
1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年 才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其 后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联 接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯 龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型 静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构 并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起 轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居 室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同 时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。
生物医疗和医学上的应用
微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮 下注射法送入人体 ,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 。 将特制的微型机器人送入人体 ,可刮去导致心脏病的油脂沉积物 ,除去体内的胆固醇 , 可探测和清除人体内的癌细胞 ,进行视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内 , 在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。 MEMS的微小 可进入很小的器官和组织 和智能 能自动地进行细微精确的操作 的特 点 ,可大大提高介入治疗的精度 ,直接进入相应病变地进行工作 ,降低手术风险。 同微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS时 ,可进行基因分析和遗传诊 断 ,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器 件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以 ,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨 大 ,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。在汽 Nhomakorabea上的应用
MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车 自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统 （ABS）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统. *在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护 系统的施用 * 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态 稳定控制系统 * 在轮胎里作为压力传感器，