MEMS质量流量传感器

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 EM S压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEM 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 EM S);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)08-0516-07Current Status and Applications of MEMS SensorsWang Shuhua(T he13th Resear ch I ns titute,CE T C,S hij iaz huang050051,China)Abstract:MEMS sensors feature great varieties,rapid development and w ide applications.Firstly, the catego ries and ty pical applicatio ns of M EM S sensor s are introduced briefly.T hen three typ-i cal M EMS sensors,i1e.the pressure sensor,acceler ometer and g yrosco pe ar e illustrated in de-tail,including the subdiv ision,current technical capability and perfo rmance index,latest resear ch pro gress,products and their applications.Besides that,the research status of the MEM S pr es-sur e sensor using new m aterials for the extreme enviro nm ent at ho me and abro ad is presented. Finally,developm ent trends of M EM S sensors ar e predicted in term s o f new materials,pro ces-sing and assembling technolog y.Key words:micr oelectr omechanical system(M EM S);sensor;accelerom eter;gyr oscope;pr es-sur e sensorDOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.008EEACC:25750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。

AMS1000 说明书气体质量流量计⚫集成质量流量与温度测量⚫重复性好⚫支持多种气体测量⚫标准Modbus-RTU通信⚫2个NPN集电极开路输出（用于上下限报警）⚫1~5V线性电压输出或4~20mA线性电流输出⚫LCD屏显示⚫9～24V DC电源供电应用范围AMS1000适用于空气、氮气、氩气、二氧化碳、氦气、氧气等干燥洁净无腐蚀性气体（易燃易爆炸气体除外）的质量流量监测。

已被广泛应用于高校科研、消防、环境监测、烟草、智慧农业、食品、医药等行业。

图1. AMS1000产品简述AMS1000是一款热式质量流量传感器，通过测量电阻变化计算被测量气体的质量流量。

传感器采用自主研发的MEMS质量流量芯片，具有直观、精准、稳定、耐高低温、线性好、响应时间短等特点。

出厂前对AMS1000的量程、精度、重复性、响应时间等均进行了严格的校准。

1.外观结构及接口定义1.1 外观结构图2展示的是AMS1000的外观结构及工作界面，包含了传感器风道和工作界面等。

工作界面包括LCD显示屏和操作按键，LCD显示的内容有流量计Modbus通信地址、气体温度、累积流量及瞬时流量。

按键包括向上、向下、DISP和MODE四个按键。

传感器风道在工作界面下方，包括进气口和出气口，且传感器上标明了气流的方向。

图2. AMS1000结构示意图1.2 设备DB9公头DB9公头的针脚定义，如图3和表1所示。

图3.DB9公头针脚示意图表1.DB9公头针脚定义针脚定义1 外部输出12 模拟输出3 RS485B4 RS485A5 电源线6 GND7 GND8 GND9 外部输出2 1.3 AMS1000引出线（DB9母头）若购买AMS1000引出线，引出线与针脚关系如图4所示。

图4.DB9引出线与针脚关系图2.AMS1000技术指标及机械参数表2. AMS1000技术指标及机械参数参数描述型号AMS1000H00 AMS1000H01 AMS1000H02 AMS1000A00 AMS1000A01 AMS1000A02 量程0~200L/min 0~20L/min 0~2L/min 0~200L/min 0~20L/min 0~2L/min精度±4%RD（2≤x≤50L/min）±2%RD（50＜x≤200L/min）±4%RD（0.2≤x≤5L/min）±2%RD（5＜x≤20L/min）±4%RD（0.02≤x≤0.5L/min）±2%RD（0.5＜x≤2L/min）±4%RD（2≤x≤50L/min）±2%RD（50＜x≤200L/min）±4%RD（0.2≤x≤5L/min）±2%RD（5＜x≤20L/min）±4%RD（0.02≤x≤0.5L/min）±2%RD（0.5＜x≤2L/min）产品重量565g 330g 565g 330g输出方式RS485、NPN集电极开路输出、1~5V线性电压输出RS485、NPN集电极开路输出、4~20mA线性电流输出重复性±1%F.S.响应时间50ms供电方式外部电源9～24V DC显示方式LCD显示屏显示单位累计流量：L（ft3×10-1）瞬时流量：L/min（CFM×10-2）最大工作压力0.8MPa标准校准气体空气（25℃，1个标准大气压）工作温度-10~+60℃引出线DB9母头数据线（非标配）功耗0.85W（典型）外壳材料PC风道材料6061铝合金3.产品主要尺寸图AMS1000H00、AMS1000A00尺寸如下图。

MEMS汽车传感器MEMS即微电子机械系统的制造，是从专用集成电路（ASIC）技术发展过来的，MEMS技术给汽车界带来的是体积更加小、技术更加先进、价格更加便宜、性能更加可靠的传感器。

随着电子技术的发展，传感器也随之发展，在电子技术中传感器有着不可取代的地位。

随着传感器的发展，传感器在应用的方面也更加广泛,比起传统型传感器MEMS传感器更加适用于现代汽车中。

汽车传感器的性能指标其中包括：环境适应性、精度指标、可靠性、耐久性、响应性和制造成本等。

现代汽车中，MEMS传感器和其他传统型传感器比起来，在各方面有着显著的优势。

MEMS(Micro Electromechanical System)，现代电子系统中，用MEMS技术制作的微型传感器在人们接触的领域中有着十分广阔的应用前景，在现代汽车电子控制系统中，传感器负担着信息采集和传输的作用，它将采集到的信息传给电子控制单元ECU进行处理后，向执行器发出指令来进行电子控制的。

传感器在电子控制系统中是非常重要的，可以说各个系统的控制过程都是要依靠传感器进行的信息反馈来实现自动控制工作的。

随着电子技术的发展，传感器也跟着发展。

在现代汽车中，传感器的使用数量和技术水平决定了汽车控制系统的功能，很多汽车以传感器技术的高低和传感器使用的数量决定整个汽车档次的高低。

一、MEMS传感器概述目前，汽车电子技术已经发展到了一个新阶段，即包括电子技术MEMS（含微机技术）、传感器技术、优化控制技术、网络技术和机电一体化耦合交叉技术等综合技术的大型系统。

有些汽车的电子控制装置已经占到了整车造价的2/3，汽车上电子化的应用程度已经成为衡量汽车档次高低的主要标志。

所谓MEMS技术就是一项在普通的硅基片上综合了传感器、执行器、机械单元和电子器件（并使之协调工作）的技术。

MEMS技术所生产的全部最新的传感器系列已经开始慢慢大量的出现在今天的车辆上，将逐步取代传统型传感器，它们占据车辆中很大的份额。

MEMS流量传感器原理MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）流量传感器是一种基于微电子机械系统技术的流量测量设备。

它利用微型结构和微电子技术制造的微小元件，通过测量流体通过传感器时产生的压力差或热传导来确定流体流量。

本文将详细介绍MEMS流量传感器的基本原理。

1. 压差式MEMS流量传感器压差式MEMS流量传感器是最常见的一种类型。

它基于流体通过传感器时产生的压力差来测量流量。

以下是该传感器的基本原理：1.传感器结构：压差式MEMS流量传感器通常由两个或多个微型通道组成。

其中一个通道称为“探测通道”，另一个通道称为“参考通道”。

这些通道之间通过微小孔隙或微型阀门连接。

2.流体进入：流体进入传感器后，分流到探测通道和参考通道。

3.压力差产生：流体通过探测通道时，由于通道的几何形状和流体的速度，会产生一定的压力降。

而参考通道则相对较为平缓，压力较低。

4.压力传感器：探测通道和参考通道的两端分别安装了压力传感器。

这些传感器可以测量通道两端的压力差。

5.压力差转换：传感器将测得的压力差转换为电信号，通过处理电路进行放大和滤波，然后输出。

6.流量计算：根据已知的传感器特性和流体力学原理，使用计算公式将压力差转换为流体的流量。

压差式MEMS流量传感器的优点是结构简单，制造成本低，响应速度快。

然而，它对流体的粘度和密度变化较为敏感，需要进行定标和校正以获得准确的流量测量。

2. 热式MEMS流量传感器热式MEMS流量传感器是另一种常见的类型，它利用流体通过传感器时的热传导来测量流量。

以下是该传感器的基本原理：1.传感器结构：热式MEMS流量传感器通常由两个或多个微型热敏电阻（RTD）组成。

这些电阻被制造在微型通道中，与流体接触。

2.加热元件：其中一个电阻作为加热元件，通过加热产生一定的温度差。

3.测温元件：其他电阻作为测温元件，用于测量流体通过传感器时的温度变化。

4.热传导：流体通过传感器时，温度差会导致热量传导到流体中，使测温元件的温度发生变化。

MEMS热式质量流量计是一种常用于测量气体流量的仪器，其工作原理基于MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微电子机械系统）技术和热物理学原理。

这种流量计具有精度高、响应速度快、体积小等特点，广泛应用于工业和科研领域。

下面将从结构特点、工作原理和应用领域等方面介绍MEMS热式质量流量计的工作原理。

一、结构特点1.微型化结构MEMS热式质量流量计主要由微加工技术制作而成，整体结构非常微小。

其尺寸通常在毫米级别，因此具有体积小、重量轻的特点。

2.热敏传感器流量计的核心部件是热敏传感器，它通常采用热敏电阻、热电偶或热敏薄膜等器件。

当气体流经热敏传感器时，热敏传感器的温度会随流体流速的变化而发生相应变化。

3.微型加热器为了维持热敏传感器的恒定温度，MEMS热式质量流量计通常还配备有微型加热器。

微型加热器可以根据流体流速的变化调节热敏传感器的温度，从而实现流量的测量。

二、工作原理1.传感器供电当MEMS热式质量流量计接通电源后，热敏传感器和微型加热器会被供电，开始工作。

2.热传导机制当气体流经热敏传感器时，气体与热敏传感器的热量交换会引起热传导效应。

气体的流速越大，热量的带走越快，热敏传感器的温度就会相应下降。

3.温度补偿为了准确测量气体流速，需要对热敏传感器的温度进行补偿。

而微型加热器就起到了这一作用。

通过微型加热器对热敏传感器的加热，可以保持热敏传感器的温度始终处于一个稳定的状态，从而实现对气体流速的精确测量。

三、应用领域MEMS热式质量流量计由于其体积小、功耗低、响应速度快等特点，被广泛应用于各种气体流量测量领域。

1.工业自动化在工业自动化控制系统中，常常需要对气体流量进行准确测量。

MEMS热式质量流量计可以满足工业自动化设备对于流量测量的需求，广泛应用于气体流量的监测和控制。

2.能源领域在能源行业，对气体流量的准确测量是非常重要的。

MEMS热式质量流量计可以用于天然气、煤气等能源的流量测量和监测，为能源行业的生产和管理提供重要支持。

MEMS传感器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：微型化,集成化,低功耗,低成本,高精度,长寿命,动态性能好,可靠性高，适于批量生产,易于集成和实现智能化的特点，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。

MEMS传感器的种类有很多，发展很快但在这几年发展速度放缓，MEMS传感器的种类很多导致了其分类方法很多。

按其工作原理, 可分为物理型、化学型和生物型三类M EM S 传感器分类及典型应用。

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传感器的工作原理主要有压阻式，电容式，压电式，力平衡式，热对流式，谐振式等。

一．1.MEMS压力传感器MEMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首硅隔膜压力传感器和应变计为开端。

压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的MEMS传感器, 其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。

从信号检测方式划分, MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等; 从敏感膜结构划分, 可分为圆形、方形、矩形和E 形等。

硅压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器, 其工艺成熟, 尺寸较小, 且性能优异, 性价比较高。

2.MEMS加速计MEMS加速度计用于测量载体的加速度, 并提供相关的速度和位移信息。

MEMS加速度计的主要性能指标包括测量范围、分辨率、标度因数稳定性、标度因数非线性、噪声、零偏稳定性和带宽等。

电容式、压电式和压阻式MEMS加速度计的性能比技术指标电容式压电式压阻式尺寸大小中等温度范围非常宽宽中等线形度误差高中等低直流响应有无有灵敏度高中等中等冲击造成的零位漂移无有无电路复杂程度高中等低成本高高低3.MEMS陀螺仪MEMS陀螺仪是一种振动式角速率传感器,其特点是几何结构复杂和精准度较高。

基于MEMS技术的传感器设计及其应用随着科技的发展，MEMS技术（微机电系统技术）被越来越广泛地应用在传感器领域。

MEMS技术通过微米级的创新解决了大量传感器所具有的问题，如大小、功能和价格。

基于MEMS技术的传感器不仅可以检测机械振荡、气体压力和体积，还可以监测温度、湿度、位置和加速度等状态。

本文将介绍基于MEMS技术的传感器设计及其应用的相关信息。

一、MEMS技术及其优势MEMS技术是利用芯片制造工艺，将机械、电子、光学和磁性等微型功能部件集成在一起的技术。

它具有小尺寸、低功耗、高可靠性和可扩展性等特点。

MEMS 技术的传感器设计不仅能够简化传感器的结构，还可以实现小型化和集成化，从而提高传感器的性能和成本效益。

二、基于MEMS技术的传感器设计1. 加速度传感器加速度传感器是基于MEMS技术设计的最常见传感器之一。

它通过测量加速度来检测物体的运动状态。

加速度传感器通常由微型质量和变化电容器组成。

当物体加速度改变时，质量和电容也会随之改变。

这种变化可以转换成电信号输出。

加速度传感器可以广泛应用于汽车、航空航天、智能手机、电子游戏等领域。

2. 气体传感器气体传感器可用于监测气体的浓度，其设计基于微机电系统技术、纳米技术和光学传感技术等多项技术。

气体传感器通常使用化学反应，将气体与传感器内的反应物发生反应，从而检测气体的浓度。

它们可以广泛应用于环境监测、食品安全检测和医学诊断等领域。

3. 压力传感器基于MEMS技术的压力传感器是利用压力传感芯片操作，可以测量各种压力变化的精度高的传感器。

它们可以作为汽车、航空航天、医疗保健和工业控制等领域的必备组件。

压力传感器可用于测量在机械系统内的压力、温度和流量等参数。

三、基于MEMS技术的传感器应用1. 智能家居在智能家居系统中，MEMS传感器可以帮助监测温度、湿度和光线等条件，从而改善居住环境。

MEMS技术及其设计可以实现远程监控，并优化家庭系统的自动化。