基于MEMS技术的压力传感器设计与制造

基于微机电技术的传感器设计与应用

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是集成微电子技术、微机械技术和热工技术的一种技术体系。传感器作为MEMS技术的重要应用领域之一，具有十分广泛的应用前景。本文将重点探讨基于微机电技术的传感器设计与应用。

首先，基于MEMS技术的传感器设计与制造具有小型化、高灵敏度和低功耗等优点。以气体传感器为例，通过利用微纳加工技术，在芯片尺寸的硅基底上制作纳米级氧化物层和金属电极，实现了对环境中气体成分的高精度检测。而传统气体传感器往往体积庞大，制造成本高。基于MEMS技术的气体传感器能够被广泛应用于环境监测、工业安全和医疗健康等领域。

其次，基于MEMS技术的传感器在生物医学领域具有巨大潜力。通过利用MEMS技术制作微流体芯片，可以实现对微量生物样品的定量检测。例如，利用MEMS技术制作的血糖传感器，不仅能实现患者的无痛检测，还能够将检测结果实时传输到移动设备上，方便用户进行健康管理。此外，MEMS技术还可以应用于生物分子检测、癌症早期诊断等领域，为生物医学研究提供了新的手段和平台。

再次，MEMS技术在工业自动化和智能化领域的传感器应用也越来越受到关注。基于MEMS技术的惯性传感器能够实时感知和测量物体的加速度和角速度，并转化为电信号输出。这种传感器可广泛应用于导航系统、飞行器姿态控制、智能手机和虚拟现实等领域。此外，MEMS技术还可以应用于压力传感、温度传感、湿度传感等工业领域，提高生产效率和质量。

最后，基于MEMS技术的传感器在环境监测和节能领域也有着重要的应用。通过将MEMS传感器与物联网技术相结合，可以实现对大气、水质、土壤等环境参数的智能监测和数据采集。这种技术广泛应用于城市环境监控、农业生产和资源管理等领域，为环境保护和可持续发展作出了贡献。另外，MEMS技术还可以应用于节能电器、智能建筑等领域，通过实时监测和调节系统参数，达到减少能耗和提高能源利用效率的目的。

第ｌ４卷第５期　２０ｏ７年ｌ０月　莆田学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｕｔ　ｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｖ０１．１４　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２ｏｏ７　

文章编号：１６７２－４１４３（２００７）０５．００５９．０３　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　

基于ＭＥＭＳ加速度微传感器制作工艺及测试　

郑志霞，薛建国，陈军　

（莆田学院电子信息工程系，福建莆田３５１１００）　

摘　要：介绍了基于ＭＥＭＳ技术的微型加速度传感器的原理、帝】作工艺、测试电路及测试结果。设计原理是把　加速度变化转换为传感器的电容变化，制作上以硅一玻璃键合技术、玻璃和质量块的腐蚀工艺以及等离子刻蚀技　术（ＩＣＰ）为主要的工艺过程。传感器的测试采用方波为激励信号，采用ＣＭＯＳ电路来提高测量电容的灵敏度。结　果表明，该传感器性能稳定、线性范围广、灵敏度高。　关键词：ＭＥＭＳ技术：加速度传感器：测试电路　

Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　

Ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＥＭＳ　

ＺＨＥＮＧ　Ｚｈｉ－ｘｉａ，ＸＵＥ　Ｊｉａｎ－ｇｕｏ，ＣＨＥＮ　Ｊｕｎ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｐｕｔｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｕｔｉａｎ　３５　１　１　００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ　ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｍｉｃｒｏ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＥＭＳ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｔｏ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎｃｌｕｄｅｄ　ｔｈｅ　Ｂａｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｌａｓｓ，ｔｈｅ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｌａｓｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｓｓ，ｔｈｅ　ｅｔｃｈｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　ＩＣＰ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｅｍｐｌｏｙｅｄ　ＣＭＯＳ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，　ｕｓｉｎｇ　ｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ　ｓｅｎｓｏｒ　ｈａｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ，　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｈｉｇｈ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｇｏｏｄ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＭＥＭＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｓｔｉｎｇ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

压电MEMS传感器介绍及原理解析

一、压电效应及压电材料1、压电效应

压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，它是进行能量转换和信号传递的重要载体。最早报道材料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟，1880年他们发现把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成正比，并将其成为压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化，以致两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成比例。这种由“压力”产生“电”的现象称为正压电效应。反之，如果将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场使介质内部正负电荷位移，导致介质产生形变。这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。

2、压电材料

（1）压电单晶

压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电单晶材料的生长方法包括水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。

（2）压电陶瓷

压电陶瓷则泛指压电多晶体， 是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体， 具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。压电陶瓷材料具有良好的耐潮湿、耐磨和耐高温性能，硬度较高，物理和化学性能稳定。压电陶瓷材料包括钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。

（3）压电薄膜

压电薄膜材料是原子或原子团经过或溅射的方法沉积在衬底上而形成的，其结构可以是费静态、多晶甚至是单晶。压电薄膜制备的器件不需要使用价格昂贵的压电单晶，只要在衬底上沉积一层很薄的压电材料，因而具有经济和省料的特点。而且制备薄膜过程中按照一定取向来沉积薄膜，不需要进行极化定向和切割等工艺。另外，利用压电薄膜制备的器件应用范围广泛、制作简单、成本低廉，同时其能量转换效率高，还能与半导体工艺集成，符合压电器件微型化和集成化的趋势。

电子测试　

基于ＭＥＭＳ传感器技术一的倾角测量仪设计　

郝骞　冯敦超马慧卿　齐明思　

（中北大学国家级电工电子实验教学示范中心，太原０３００５１　

仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原０３００５１）　

基金项目：国家自然科学青年基金（５１２０５３７３）　摘要：由ＭＥＭＳ倾角传感器和单片机组成的倾角测量仪，体积小，方便携带，精确度高，抗干扰能力强，量程大，通过软件线性化　处理，加上独特的零点重置功能，能够广泛应用于工程测量领域。为了对数据的分析处理，开发了上位机软件，能够进行实时绘　

图和跟踪。　

关键词：肛ＭＳ倾角传感器；单片机；零点重置；上位机　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｔｉｌｔ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　

ＭＥＭＳ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｈａｏ　Ｑｉａｎ　Ｆｅｎｇ　Ｄｕｎｃｈａｏ　Ｍａ　Ｈｕｉｑｉｎｇ　Ｑｉ　Ｍｉｎｇｓｉ　

（Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅａｃｈｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，　Ｃｈｉｎａ：　

Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｓｔ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．　

Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｔｉ１ｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｃｏｎｓｉｓｔＳ　ｏｆ　ＭＥＭＳ　ｔｉｉｔ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　

ｍａｎｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：ｓｍａｌｌ　ｖｏｌｕｍｅ，ｅａｓｙ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｔｒｏｎｇ　ａｎｔｉ＿ｊａｍｍｉｎｇ　ｃａｐａｂｉ１ｉｔｙ　

ａｎｄ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　１ｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ．　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｕｎｉｑｕｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｚｅｒｏ　ｒｅｓｅｔｔｉｎｇ．ｔｈｅ　ｔｉｉｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｆｉｅｌｄ．　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔ０　ａｎａｌｙｚｅ