浅谈MEMS在光通信及光传感中的应用
摘要：随着半导体集成技术以及机械微加工技术的发展，衍生出的MEMS技术正逐步应用到生产生活的各个领域。本文主要介绍MEMS技术在光通信以及光传感中典型应用，MEMS凭借微小易于集成等特点，发挥出在通信及传感领域的独特优势，将成为光通信、光传感以后发展的变革性力量。
关键词：MEMS；光通信；光传感
Discussion on the applicationsof MEMSinoptical
communications and optical sensing
Abstract: With the development of Semiconductor Integrated Technology and Mechanical micromachining,the MEMS technology is gradually applied to all areas of production and life.This articleFocuses on MEMS technology in optical communication and optical sensing,with the feature of Small-scale and easy to Integrate has exerted unique advantages incommunications and sensing,and will be a revolutionary forces in the area of optical communications and optical sensing.
Key words:MEMS;optical communications;optica sensing
1引言
微机电系统是Micro-Electro-Mechanical-System的英文缩写，简称MEMS。是指几何尺寸仅在毫米，微米，乃至纳米级别的的机电装置，包括微型机械，微型执行器，微型驱动器
等，同时与其他组成，例如电源接口等一体化封装，达到可批量制作的器件。MEMS是基于学科交叉理念发展起来的，所以不仅需要超精密机械加工技术，也需要半导体集成电路的微细加工技术，因而随着半导体集成化工艺近十几年的发展，MEMS逐渐应用到了很多领域，例如汽车、医疗、农业、通信等。这里提到的通信当然指广义上的通信技术，但是以MEMS 为基础，将光这一学科融入其中，便衍生出MEMS的另一分支—Micro-Opto-Electro-Mechanical-System，微光机电系统。
2MEMS在光通信领域应用
当前，各大高校公司主要对MEMS在光通信中的应用做了大量研究，其中MEMS光开关属于最成熟的一种，其他的包括光纤耦合器、调制器、以及光电接收器和显示器件也逐渐取得进展。
1.光开关
1.1 光开关简介
光开关的作用是转换光路，主要应用于光交换系统中，是光通信网络中的重要组成部分。现在使用的有基于电光效应，磁光效应制成的电光开关和磁光开关，以及简单机械结构的开关。但随着光通信技术的发展，正如电通信发展历程一样，集成是一个趋势，也是将光和电有效联系的纽带。利用MEMS技术制作的光开关利用微动微镜制作光开关矩阵，微动微镜可以采用上下折叠方式、左右移动方式或旋转方式来实现开关的导通和断开功能。MEMS 光开关将机械结构、微触动器和微光元件在同一衬底上集成，结构紧凑、重量轻，易于扩展。它比机械式光开关和波导型光开关具有很好的性能，它不但具有机械式光开关的低插损、低串扰、低偏振敏感性和高消光比的优点，又有波导开关的高开关速度、小体积、易于大规模集成等优点。由于其易于大规模加工集成的特点，成本也大大缩减，同时MEMS光开关与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展等趋势相符合。
[1]
1.2 MEMS光开关原理
MEMS光开关的工作原理是通过静电或者其它控制力使微镜阵列或光闸产生机械振动，改变光的传播方向，使光经过可移动的反射镜反射后进入输出光纤。这里提到的使微镜阵列或光闸发生振动或者移动的控制力称为驱动方式，一般分为平行板电容静电驱动，梳状静电驱动器驱动，电致、磁致伸缩驱动，形变记忆合金驱动，光功率驱动和热驱动等。其中静电驱动、电磁驱动、热电驱动这三种形式使用最为广泛。
1.3 分类
MEMS光开关通常分为两类：即2维和3维的光开关。在二维光开关，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个N×N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N2结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的
光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是32×32端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512×512端口。
三维开关是指，输入输出光纤均成二维排列，两组可以绕轴改变倾斜角度的微反射镜安装在二维阵列中，每个输入和输出光纤都有相对应的反射镜。在这种结构中，N×N转换仅需要2N个反射镜。通过将反射镜偏转至合适的角度，在三维空间反射光束，可将任意输入反射镜／光纤与任意输出反射镜／光纤交叉连接。但要制成这种灵活性极好三维MEMS光开关却比二维的难度提升了很多，不仅要在的设计、制造以及配置上设计更加精确，还要保证使用复杂的闭环控制系统，且每个独立的微镜又需要单独的控制系统，这样算来，不仅加工难度大，成本也将提高造成价格昂贵，能耗增大。当然这不代表三维光开关就停滞不前了，比如美国的杰尔系统公司就研制出了商用化的三维MEMS光开关用于通信波段。
1.4 几种常见的MEMS光开关
（1）光路遮挡型MEMS光开关
具有代表性的光路遮挡型光开关是悬臂梁式光开关。例如朗讯公司研制的光驱动微机械光开关，整个器件尺寸约l~2mm，材料由金、氮化硅和多晶硅组成，并由体硅工艺加工出悬臂梁。它利用8个多晶硅PiN电池(一种非晶硅太阳电池)串联组成光发电机，在光信号的作用下，产生3V电压，电容板受到电场力吸引，将遮片升起，光开关处于开通状态，如无光信号，光发电机无电压输出，遮片下降，光开关关闭。该开关由远端的光信号控制，所以光开关本地是无源的。该光开关驱动光功率仅2.7μW，传输距离达128 km，开关速度3.7ms，插损小于0.5dB。但串扰比较大，隔离度不高，一般用于组成光纤线路倒换系统。
（2）移动光纤对接型MEMS光开关
它是一个l×4光开关，利用光纤的移动和对准实现光信号的切换，插入损耗大约为ldB。与以微镜为基础的光开关相比，它采用体硅或LIGA工艺，制造结构和制备方法较为简单，可采用电磁驱动，驱动精度要求低，系统可靠性和稳定性好，稳态时几乎不耗能，缺点是开关速度较低，大约为lOms量级，可连接的最大端口数受到限制，多用于网络自愈保护。
（3）微镜反射型MEMS光开关
相对于移动光纤对接的方法，利用微镜反射原理的光开关更加易于集成和控制，组成光开关阵列。根据组成OXC矩阵的方法，可以把利用微镜反射原理的光开关分成二维和三维两种。在二维(2D)也称数字方式中，微镜和光纤在同一个平面上，微镜只有两种状态(开或关)。通过移动适当位置的反射镜使其反射光束可将任意输入光束耦合为输出信号。一个N×N的MEMS微镜矩阵用来连接N条输入光纤和N条输出光纤，这种结构为N2结构。它极大地简化了控制电路的设计，一般只需要提供足够的驱动电压使微镜发生动作即可。但是当要扩展成大型光开关阵列时，由于各个输入输出端口的光传输距离有所不同，所以各个端口的插入损耗也不同，这使得2D微镜光开关只能使用在端口数较少的环路里。目前二维系统最大容量是32×32端口，多个器件可以连接起来组成更大的开关阵列，最大可以达到512×512端口。二维微镜光开关中微镜的运动方式主要有弹出式、扭转式和滑动式。
2.MEMS光纤耦合器[2]
光纤耦合器是光通信中的一个重要技术,是一种无源器件.实现了光纤与光纤、光纤与光源、光纤与光检测器的对准和耦合。MEMS耦合器采用的方法是在硅片上进行P+的扩散，通过微加工，最后做出一个在位置，深度，宽度均有精确尺寸的V型槽，之后把光纤和其他
的组件限定在槽中对接。所以在V型槽的尺寸限定好后，精准的把传输光纤压入到V型槽中是关键一步，所有将直线型的光纤压入槽中后，整个系统对激光器的封装类型要求便大大降低，从而提高灵活性，降低了对接的难度。此外在发挥耦合作用的同时硅衬底还可用作激光器阵列底高效散热片，这些技术使得光纤和光电检测器件、激光器件达到了精确的对准、耦合，大大减小了光的泄漏和色散等性能。现在利用MEMS技术研制的耦合器件在通信波长范围内可实现附加损耗0.01dB，插入损耗小于2dB。当前，MEMS光纤耦合器主要被用于EDFA的组成部分，而耦合器的尺寸正决定着EDFA整体的尺寸，由于MEMS耦合器的微型化，EDFA的小型化发展也将取得很好的进展。
3.光衰减器[3]
MEMS可变光衰减器是将微挡光片插入到光路之中，通过微反射镜改变耦合效率以及反射镜的反射率来实现衰减。微反射镜主要由硅晶片和沉积在牺牲层上的氮化硅薄膜组成，氮化硅薄膜通过特殊的腐蚀方法形成调制器需要的机械结构，电极沉积在氮化硅上，用HF酸腐蚀形成有源区。MEMS光衰减器由多层电介质反射镜形成堆栈，这样在最后一层控制电极施加电压时，氮化硅薄膜便会被吸引向沉底移动。随着加入电压的变化，反射率可实现从75%到0的线性变化。当前针对MEMS光衰减器的国外开展的较多，包括LightConnect公司、Lucent等，由于其性价比较高，国内的通信公司也已开始采用。
4.光调制器
这里主要介绍一种典型的移相门调制器。如图1所示为典型的移相门调制器，主要由不同厚度的移相门和激发器组成。移相门和激发器共同集成在一块芯片上，激发器在门的后边，
激发器是静电激发器或热电激发器,因为移相门的边侧粗糙度可以减小到几纳米,远小于光通信的激光波长，可以略去不计。所有在工作时门的开和关通过激发器状态实现，在光系统中，门激发延迟了光的相位，调制光通过光的干涉实现当电极从右向左移时，光纤实现1,2,3,4这样变换，进而实现调制。
5.总结
此外，MEMS在光纤通信的其他组成器件也有涉及，例如MOEMS可调波长DWDM光检测器，基于“栅状式光”（Grating Light Valve）的图像显示技术等。随着光通信中集成化概念的逐步加深，MEMS以其微小，灵活性能优良等将发挥重要作用。
三、MEMS在光传感领域应用
1.红外光声传感[4]
MEMS红外光声传感是基于光声效应研制的，如图2所示，即用调制过的红外光去照射待检测气体，气体吸收光子的能量后处于激发态，之后激发态的气体分子直接发送碰撞以热能的形式释放能量，表现为其他的周期性受热，这种周期性的受热产生周期性的膨胀，进而向外发射热声波，并且发射的热声波频率与调制光的频率相同，此时，若引入声波接收器便可以得到预想的信号。
红外光声传感系统包含五个主要的组成：光源系统、滤光器、光声池、探测器及外围电路。其中的光源系统通常选用白炽灯光源或者气体激光器，但这两种光源不仅体积庞大，同时功耗高需要冷却散热，作为调制系统的机械斩波器以及复杂的光学系统也造成了系统的便携性低下。
MEMS红外光声探测系统的中心思想是应用MEMS技术，将整个检测系统的组成器件变的微型化集成化，重点在于光源系统，光声谐振腔以及探测器。当前研究较多也较为成熟的是MEMS红外调制光源和超灵敏度麦克风，已经取得比较理想的结果。例如美国麻省理工采用半导体激光器作为光源,通过微机械技术加工制作微型光声腔体,采用光学麦克风检测声信号,构成光声传感器,实现了对微量气体的检测,检测灵敏度达10ppm。挪威的研究小组利用微机械硅基红外调制光源作为辐射源,薄膜压力传感器作为声探测器,能够实现多种气体的测量。
2.光纤MEMS低频声传感器[5]
光纤MEMS声传感器将MEMS技术和光纤传感技术结合起来，核心技术是MEMS硅敏
感膜和光纤端面构成的F-P腔，通过硅敏感膜感知声压力变化，并把声信号转化为硅敏感膜挠度变化值，通过激光法布里珀罗涉原理检测硅敏感膜挠度的变化，最后输出声信号的压力值。
光纤MEMS声传感器中的硅膜和光纤构成了一个换能器，通过对换能器的参数设计
可以对声频振动的带宽、振动幅度进行控制，激光干涉及光电接收可以对振动膜的极微小位
移进行测量，目前采用F-P相位检测技术，其位移测量精度可以达到纳米量级。
3.MEMS加速度传感器[6]
MEMS 加速度传感器作为航空航天、机器人、医疗器械、汽车工业及自动化等众多领域内的关键器件，当前在MEMS 基础上发展起来的微光机电系统(MOEMS)借助光本身的独特优势可以实现比MEMS 器件体积更小、响应速率更快、集成度更高、可控性更强、抑噪能力更突出的系统器件。
在MOMES加速度传感器中研究较为成熟的是光学微腔。光学微腔凭借日益成熟的MEMS 工艺和它独特的耳语回廊模式，可以得到极高的品质因数和极低的模式体积等优良的光学特性，因此基于微环谐振腔的MOEMS器件已经成为微加速度传感的新的技术途径。
这里提到光学微腔，是由一个半径为几微米到几百微米的环型波导和一个或者两个直波导组成的，当光波导与微环谐振腔的间距为微米或百纳米时，光会以倏逝波的形式进入谐振腔从而形成近场耦合。当倏逝波的频率与环形谐振腔的本征频率相同时，微环谐振腔内发生共振现象。当外界加速度改变时，根据牛顿第二定律，作用在传感器上的应力改变，而固体在收到外力作用变化时折射率也会改变。假如该媒质在光学方面表现为各向异性，那么在外力作用下会产生一个附加的双折射,这一现象称为应力双折射,也称为光弹效应。
这里介绍一种常见的悬臂梁传感器。如图4所示，该传感器就由核心敏感单元的光波导和微环谐振腔组成的耦合系统、悬臂梁和传感质量块组成。当悬臂梁受到加速度作用发生微小形变时耦合过程中的微环谐振腔腔壁也随之受压变形，由于受到应力双折射效应和力光耦合效应的双重作用，谐振腔的透射谱线也会产生变化通过检测透射谱中谐振峰值的频移即可推知所受得加速度值。
4 总结与展望
由以上分析介绍可知，MEMS系统在光通信光传感中有独特的优势，它可以和很多传统器件例如光开关，调制器，光纤等灵活有效的结合，同时又具有机械结构特有的易于加工集成的特点。相信随着半导体集成工艺以及新型材料的发展，MEMS理念会更多的深入到光通信以及传感领域，在光电一体化集成这个大趋势下扮演更加重要的角色！
参考文献
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基于MEMS加速度传感器的双轴倾角计及其应用 引言 MAV由于体积和负载能力极为有限,因此,减小和减轻飞控导航系统的体积及重量,就显得尤为重要。本文基于MEMS加速度传感器,设计一种双轴倾角计,该装置精度高、重量轻,可满足MAV的姿态角测量要求,也可用于其他需要体积小、重量轻的倾角测量设备上。 MEMS加速度传感器 ADXL202 是最新的、低重力加速度双轴表面微机械加工的加速度计,以模拟量和脉宽调制数字量2种方式输出,并具有极低的功耗和噪音。表面微机械加工使加速度传感器、信号处理电路高度集成于一个硅片上。和所有加速度计一样,传感器单元是差动电容器,其输出与加速度成比例。加速度计的性能依赖于传感器的结构设计。差动电容是由悬臂梁构成,而悬臂梁是由很多相间分布的指状电容电极副构成,一副指状电容电极可简化为图1所示的结构。每个指状电极的电容正比例于固定电极和移动电极之间的重叠面积以及移动电极的位移。显然,这些都是很小的电容器,并且,为了降低噪声和提高分辨力,实际上需要尽可能大的差动电容。 悬臂梁的运动是由支撑它的多晶硅弹簧控制。这些弹簧和悬臂梁的质量遵守牛顿第二定律:质量为m 的物体,因受力F而产生加速度a,则F =m a。而弹簧的形变与所受力的大小成比例,即F = kx,所以 x = （m / k）a , 式中x为位移, m; m 为质量, kg; a为加速度, m / s2 ; k为弹簧刚度系数, N /m。 因此,仅有支撑弹簧的刚度和悬臂梁的质量2个参数是可控的。减小弹簧系数似乎是提高悬臂梁灵敏度的一种容易方法,但悬臂梁的共振频率正比例于弹簧系数,所以, 减小弹簧系数导致悬臂梁共振频率降低,而加速度计必须工作在共振频率之下。此外,增大弹簧系数使悬臂梁更坚固。所以,如果保持尽可能高的弹簧系数, 只有悬臂梁的质量参数是可变化的。通常,增大质量意味着增大传感器的面积,从而使悬臂梁增大。在ADXL202中,设计出一个新颖的悬臂梁结构。构成X轴和Y轴可变电容的指状电极沿着一个正方形四周的悬臂梁集成,从而使整个传感器的面积减小,而且,共用的大质量的悬臂梁提高了ADXL202的分辨力。位于悬臂梁四角的弹簧悬挂系统用以使X 轴和Y轴的灵敏度耦合减小到最小。 倾角测量原理 ADXL202 用于倾角测量是最典型的应用之一,它以重力作为输入矢量来决定物体在空间的方向。当重力与其敏感轴垂直时,它对倾斜最敏感,在该方位上其对倾角的灵敏度最高。当敏感轴与重力平行时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化被忽略。当加速度计敏感轴与重力垂直时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化约为17. 5mgn ,但在45°时,每倾斜1 °所引起输出加速度的变化仅为12. 5mgn ,而且,分辨力降低。表1为X, Y轴在铅垂面内倾斜±90 °时,X, Y 轴的输出。 当该加速度计的X, Y轴都与重力方向垂直时,可作为具有滚转角和俯仰角的双轴倾角传感器。一旦加速度计的输出信号被转化为一个加速度, 该加速度将位于- 1 gn 和+ 1 gn 之间。则倾斜角以度表示可按下式计算 θ= arcsin （AX / gn ） γ= arcsin （AY / gn ）,
MEMS压力传感器 姓名：唐军杰 学号：09511027 班级： _09511__
目录 引言 (1) 一、压力传感器的发展历程 (2) 二、MEMS微压力传感器原理 (3) 1.硅压阻式压力传感器 (3) 2.硅电容式压力传感器 (4) 三、MEMS微压力传感器的种类与应用范围 (5) 四、MEMS微压力传感器的发展前景 (7) 参考文献 (8)
内容提要 在整个传感器家族中，压力传感器是应用最广泛的产品之一， 每年世界性的压力传感器的专利就有上百项。微压力传感器作为微 型传感器中的一种，在近几年得到了快速广泛的应用。本文详细介 绍了MEMS压力传感器的原理与应用。 ［关键词］：MEMS压力传感器微型传感器微电子机械系统 引言 MEMS（Micro Electromechanical System，即微电子机械系统） 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、 通信和电源于一体的微型机电系统。它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器在航空、航天、汽车、生物医学、环境 监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的 应用前景。 MEMS微压力传感器可以用类似集成电路的设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过 程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使 压力控制变得简单、易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基 于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此 它不可能如MEMS微压力传感器那样，像集成电路那么微小，而且 成本也远远高于MEMS微压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS微压力传感器的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，相对于 传统“机械”制造技术，其性价比大幅度提高。
MEMS传感器现状及应用 王淑华 (中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051) 摘要:M EM S传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了M EMS传感器的分类和典型应用。其次,对M EMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的M EM S传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEM S压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEM S传感器的发展趋势进行了展望。 关键词:微电子机械系统(M EMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器 中图分类号:TH703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)08-0516-07 Current Status and Applications of MEMS Sensors Wang Shuhua (The13th Research I nstitute,CET C,S hi jiazhuang050051,China) A bstract:MEMS senso rs feature g reat varieties,rapid development and w ide applications.Firstly, the catego ries and ty pical applicatio ns of M EMS senso rs are introduced briefly.Then three typi-cal M EMS sensors,i.e.the pressure sensor,acceleromete r and gy ro sco pe are illustrated in de-tail,including the subdivision,current technical capability and perfo rmance index,latest research pro gress,products and their applications.Besides that,the research status of the M EM S pres-sure senso r using new m aterials for the extreme enviro nment at ho me and abro ad is presented. Finally,developm ent trends of M EMS sensors are predicted in te rm s o f new materials,pro ces-sing and assembling technolog y. Key words:microelectromechanical sy stem(M EMS);sensor;accelerome ter;gy roscope;pres-sure senso r D OI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.008 EEACC:2575 0 引 言 MEM S传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是M EMS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MEM S技术的先河,M EMS技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。作为M EMS最重要的组成部分,M EMS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M EMS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,MEM S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 收稿日期:2011-04-06 E-mail:1117sh uhua@https://www.doczj.com/doc/8113136911.html,
MEMS(微机电系统是指集微型 传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。 M E M S 压力传感器可以用类似集成电路(IC设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样 做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 MEMS压力传感器原理 目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。 硅压阻式压力传感器是采用高精密 半导体电阻应变片组 成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2。 M E M S 硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用M E M S 技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力 最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%~0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3
所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电 MEMS压力传感器及其应用 MEMS Pressure Sensor Principle and Application 颜重光华润矽威科技(上海有限公司(上海201103 本文于2009年3月22日收到。颜重光：高工，上海市传感技术学会理事，从事IC应用方案的设计策划和客户应用技术支持。 摘要：简述M E M S 压力传感器的结构与工作原理，并探讨了其应用、压力传感器Die的设计及生产成本分析，覆盖了从系统应用到销售链。 关键词：M E M S 压力传感器；惠斯顿电桥；硅薄膜应力杯；硅压阻式压力传感器；硅电容式压力传感器 D O I : 10. 3969/j. i s s n. 1005-5517.2009.06.015 图1 惠斯顿电桥电原理 图2 应变片电桥的光刻版本 图3 硅压阻式压力传感器结构 图4 硅压阻式压力传感器实物责任编辑：王莹 技术长廊｜智能传感器 ５８ https://www.doczj.com/doc/8113136911.html,
毕业设计指导
山西大学本科论文MEMS传感器现状及应用 MEMS传感器现状及应用 摘要: MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。 关键词: 微电子机械系统(MEMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器 Current Status and Applications of MEMS Sensors Abstract: MEMS sensors feature great varieties, rapid development and wide applications. Firstly,the categories and typical applications of MEMS sensors are introduced briefly. Then three typi-cal MEMS sensors, i. e. the pressure sensor, accelerometer and gyroscope are illustrated in de-tail,including the subdivision, current technical capability and performance index, latest researchprogress, products and their applications. Besides that, the research status of the MEMS pres-sure sensor using new materials for the extreme environment at home and abroad is presented.Finally, development trends of MEMS sensors are predicted in terms of new materials, proces-sing and assembling technology. Key words: microelectromechanical system(MEMS); sensor; accelerometer; gyroscope; pres-sure sensor
MEMS压力传感器及其应用 MEMS压力传感器可以用类似集成电路(IC)设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。 一、压力传感器的发展历程 现代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展可以分为四个阶段: (1)发明阶段(1945 - 1960 年):这个阶段主要是以1947 年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(C.S. Smith)与1945 发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。 (2)技术发展阶段(1960 - 1970 年):随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择合适的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在背面加工成凹形，形成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点，实现了金属- 硅共晶体，为商业化发展提供了可能。 (3)商业化集成加工阶段(1970 - 1980 年):在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，
作业2：叙述MEMS技术的最新发展并介绍几种MEMS传感器 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，MEMS就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构。在代工厂中，通过对电子部分使用半导体工艺和对机械部分使用微机械工艺将其或者直接蚀刻到一片晶圆中，或者增加新的结构层来制作MEMS产品。作为纳米科技的一个分支，MEMS被称为电子产品设计中的“明星”。目前MEMS加工技术又被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。 MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。 第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。 第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。 目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。 MEMS传感器已经存在几十年了，并成功的渗透到一些大规模应用的市场，如医疗压力传感器和安全汽囊加速度计等。尽管取得了这些成功，但MEMS传感器很大程度上还是局限于这些零散的应用。受到汽车电子和消费类电子市场的驱动，这种状况在下一个十年中有望得到改变。 MEMS传感器正在当今的两大热门产品中起到不可或缺的作用。使用测量物理运动从而提供运动感知能力的MEMS加速度计，任天堂公司的Wii无线游戏机允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求，其原理是将运动（例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动）转化为屏幕上的游戏行为。在2006年5
为了监测车辆翻滚的这种状态，把陀螺仪输出的传感器信号与低g值加速度传感器的输出信号结合起来是至关重要的。通过处理两个传感器给出的信号，系统的算法确定车的Z轴以及垂直线之间的夹角，以及每一时刻车辆的角速度ωx。因此，车辆翻滚感测算法及时确定准确的时间点和位置，从而爆开特定的气囊或主动收紧绑在乘员身上的安全带，起到保护作用。 此外，电子稳定程序系统也是MEMS传感器的一个重要应用领域，它能够在所有的驾驶情况下提高车辆的行驶稳定性。通过传感器测量车辆的偏航率，并把它与其它参数类似转向角和速度一一进行比较，可以检测过度转向或转向不够这样的行驶状况。如果行驶过程中需要ESP发挥作用，那么，该系统会自动地分别制动车轮。因此，传感器提供的信号是ESP算法执行的根本基础，是提高行车稳定性的关键。 MEMS偏航传感器一般由容性硅振荡器构成，其周围是若干悬浮的网状材料。当受到垂直于振动轴的外部旋转运动的作用时，作用力使振动面出现偏离，从而导致电容的变化让驾驶员做出准确的操作。 目前，汽车安全系统应用中的偏航传感器的发展趋势是具有高偏移量稳定性、振动鲁棒性以及全数字信号处理功能。这使之比模拟传感器更为耐用。永久性的主动内部故障检测功能，使故障识别以及主动自测功能成为可能，因此，有助于增强可靠性。此外，根据整车系统设计的需要，传感器串由于采用了灵活的结构，能够在不同的车辆方向上监测偏航率以及加速度，因此，适合于高度动态以及高度精密的系统，如电子稳定程序、翻滚减轻系统以及电子主动操纵系统等等。偏航传感器与加速度传感器的结合构成一体化的传感器平台也是汽车传感器一大发展趋势。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台，正品现货、优势价格、迅捷配送，是一站式采购的工业品商城！具有10年工业用品电子商务领域研究，以强大的信息通道建设的优势，以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力，为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型，报价，采购，参数，图片，批发信息，请关注艾驰商城https://www.doczj.com/doc/8113136911.html,/
剖析MEMS传感器的三大应用领域 来源：互联网 [导读] MEMS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。 关键词：可穿戴设备MEMS汽车电子 随着可穿戴智能设备的发展，特别是医疗可穿戴智能设备，主要依靠MEMS传感器，从而检测到穿戴者的身体各项信息。那么什么是MEMS传感器呢？ MEMS即微机电系统（Microelectro Mechanical Systems），是MEMS传感器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。经过四十多年的发展，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。 截止到2010年，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MEMS传感器占相当大的比例。 MEMS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。 它的主要应用有一下三个方面： 1.应用于医疗 MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。 基于VTI公司的MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。 通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。
MEM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、灵敏度咼、可靠性咼、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专感器的分类及原理 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。 待测量 / : 基片/ :——------- -------------- 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专感器的典型应用 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
MEMS传感器及其应用 科目：先进制造技术教师：周忆（教授）姓名：张雷学号： 专业：机械设计及理论类别：学术 上课时间：2011年11月至2011 年1月 考生成绩： 阅卷评语： 阅卷教师(签名)
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。 图1 MEMS传感器原理图