新型微型传感器的研究和应用

MicronanoelectronicTechnologyVol.48No.8 August2011MEMS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: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;压力传感器中图分类号:TH703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)08-0516-07CurrentStatusandApplicationsofMEMSSensorsWangShuhua(The13thResearchInstitute,CETC,Shijiazhuang050051,China)Abstract:MEMSsensorsfeaturegreatvarieties,rapiddevelopmentandwideapplications.Firstly,thecategoriesandtypicalapplicationsofMEMSsensorsareintroducedbriefly.Thenthreetyp-icalMEMSsensors,i1e.thepressuresensor,accelerometerandgyroscopeareillustratedinde-tail,includingthesubdivision,currenttechnicalcapabilityandperformanceindex,latestresearchprogress,productsandtheirapplications.Besidesthat,theresearchstatusoftheMEMSpres-suresensorusingnewmaterialsfortheextremeenvironmentathomeandabroadispresented.Finally,developmenttrendsofMEMSsensorsarepredictedintermsofnewmaterials,proces-singandassemblingtechnology.Keywords:microelectromechanicalsystem(MEMS);sensor;accelerometer;gyroscope;pres-suresensorDOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.008 EEACC:25750 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收稿日期:2011-04-06E-mail:1117shuhua@5162011年8月 微纳电子技术第48卷第8期作环境等优势,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。1 MEMS传感器分类及典型应用MEMS传感器的门类品种繁多,分类方法也很多。按其工作原理,可分为物理型、化学型和生物型三类[1]。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。综合两种分类方法的分类体系如图1所示。MEMS传感器MEMS物理传感器MEMS力学传感器MEMS加速度计MEMS角速度计(陀螺仪)MEMS惯性测量组合MEMS压力传感器MEMS流量传感器MEMS位移传感器MEMS电学传感器MEMS电场传感器MEMS电场强度传感器MEMS电流传感器MEMS磁学传感器MEMS磁通传感器MEMS磁场强度传感器MEMS热学传感器MEMS温度传感器MEMS热流传感器MEMS热导率传感器MEMS光学传感器MEMS红外传感器MEMS可见光传感器MEMS激光传感器MEMS声学传感器MEMS噪声传感器MEMS声表面波传感器MEMS超声波传感器MEME化学传感器MEMS气体传感器可燃性气体传感器毒性气体传感器大气污染气体传感器汽车用传感器MEMS湿度传感器MEMS离子传感器MEMSpH传感器MEMS离子浓度传感器MEMS生物传感器MEMS生理量传感MEMS生物浓度传感器MEMS触觉传感器MEMS生化量传感图1 MEMS传感器的分类Fig11 ClassificationofMEMSsensors517 王淑华:MEMS传感器现状及应用 MicronanoelectronicTechnologyVol.48No.8 August2011 其中每种MEMS传感器又有多种细分方法。如微加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计;按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式;按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式;按控制方式划分,有开环和闭环式。MEMS传感器不仅种类繁多,而且用途广泛。作为获取信息的关键器件,MEMS传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用,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传感器的典型应用如表1所示。表1 MEMS传感器的典型应用Table1 TypicalapplicationsofMEMSsensors应用领域产品或系统所用MEMS传感器示例消费电子手机、数码相机、音乐播放器和笔记本电脑等加速度计和陀螺仪及惯性测量组合(IMU)等汽车工业汽车的安全系统、制动防抱死系统(ABS)、发动机系统和动力系统等压力传感器、加速度计、微陀螺仪、化学传感器、气体传感器和指纹识别传感器等航空航天、空间应用微型惯性导航系统、空间姿态测定系统、动力和推进系统、控制和监视系统和微型卫星等加速度计、陀螺仪、压力传感器、惯性测量组合(IMU)、微型太阳和地球传感器、磁强计和化学传感器等生物医疗保健临床化验系统、诊断和健康检测系统、灵巧药丸输送系统、心脏起搏器和计步器等生物传感器、压力传感器、集成加速度传感器和微流体传感器等机器人飞行类机器人的姿态控制系统加速度计、陀螺仪和惯性测量组合等传感网基于MEMS的环境监测系统等压力、湿度、温度、生物、腐蚀、气体和气体流速等多种传感器 制造技术的日益精进使MEMS传感器的参数指标和性能不断提高,与多种学科的交叉融合又使传感器不断推陈出新,应用领域不断拓宽。2 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个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。2010年12月,意法半导体公司采用创新的MEMS制造技术开发出压阻式MEMS压力传感器LPS001WP。LPS001WP通过覆盖在气腔上的柔性硅薄膜检测压力变化,该薄膜包括电阻值随着外部压力改变的微型压电电阻器,压力检测量程为3@104~111@105Pa,可检测到最小615Pa的气压变化[2]。2009年3月举行的慕尼黑上海电子展上,爱普科斯公司推出了业界封装较小的用于测量大气压力的压阻式MEMS传感器T5000/ABS1200E,尺寸仅为117mm@117mm@019mm,可用于便携式电子产品测量气压和海拔高度[3]。极端环境下的压力测量是石化生产、航空航天和汽车电子等领域必须突破和掌握的基础科学技术之一。恶劣环境通常包括热侵蚀,主要指高温环境;机械侵蚀,主要指高负载、振动和冲击等;化学侵蚀,主要指有腐蚀媒介的环境等。硅压阻式压力传感器受p-n结耐温限制,超过120e时,传感器的性能会严重退化甚至失效;在600e时会发生塑性变形和电流泄漏,远不能满足航空航天和石油化工等领域高温环境下的压力测量。为满足对极端环境下压力测量的迫切要求,国内外开展了恶劣环境用压力传感器的研究。各研究机构的研究材料各不相同,其中SiC材料、SOI材料、金刚石和光纤等新型压力传感器已成为国内外研究的重点。美国Kulite传感器公司采用6H-SiC材料制作了压阻式压力传感器,可工作于600e的高温,输入电压为5V[4]。该公司还采用BESOI技术开发出超高温压力传感器XTEH-10LAC-190(M)518 王淑华:MEMS传感器现状及应用 2011年8月 微纳电子技术第48卷第8期系列,工作温度为-55~482e[5]。M1R1Werner等人[6]研制的金刚石膜压力传感器样件,可在300e环境下工作。Y1Hezarjaribi等人[7]于2009年采用SiC材料制作出了一种接触式MEMS电容式压力传感器,其膜片的直径为150~360Lm,板间的间隙深度为015~6Lm,当压力为0105~10MPa时该传感器具有良好的线性度。由于SiC具有优良的电稳定性、机械强度和化学稳定性,故该传感器可用于汽车工业、航天、石油钻探及核电站等恶劣环境。利用光纤传感技术实现温度、压力多参数组合测量是MEMS传感器发展的重要方向之一。Opsens有限公司于2009年推出了生命科学和医学器件业内较小的MEMS光纤压力传感器OPP-M25,导管外直径仅为0125mm,可对心脏血管的压力进行精确而可靠的测量,并可用于其他微小型化应用领域[8]。随着新型半导体材料和MEMS加工工艺、敏感元件集成设计和传感器结构设计的不断突破,新型MEMS压力传感器不断推出。开发新型材料用于制作恶劣环境下的MEMS压力传感器是今后的重要研究内容。MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。在生物和医学领域,压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。在航天领域,MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。3 MEMS加速度计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[9]。MEMS加速度计的分类方式在前文已述,电容式、压电式和压阻式MEMS加速度计的性能比较如表2[10]所示。表2 电容式、压电式和压阻式加速度计的性能比较Table2 Characteristicscomparisonofcapacitive,pieroelec-tricandpieroresistiveaccelerometers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压阻式加速度计通过压敏电阻阻值变化来实现加速度的测量,其具有结构、制作工艺和检测电路都相对简单的特点。随着技术的不断提高和新材料的引用,压阻式加速度计的性能提升很快。2009年,R1Amarasinghe等人[11]制作了一个超小型MEMS/NEMS三轴压阻式加速度计,其由纳米级压阻传感元件和读出电路构成。该加速度计制作在n型SOI晶圆上,采用EB光刻和离子注入工艺制作纳米级压电阻,并用DRIE工艺精细制作梁和振动质量块。该加速度计可在480Hz的频率带宽下测量?20g的加速度,x,y和z轴的平均测量精度为01416,01412和01482mV/V/g,具有高性能、低功耗、抗振动和耐冲击的特性。电容式加速度计利用惯性质量块在加速度作用下引起悬臂梁变形,通过检测其电容的变化就可获得加速度的大小。2010年,KistlerNorthAmerica公司采用硅MEMS可变电容传感元件制作了8315A系列高灵敏度、低噪声的电容式MEMS单轴加速度计。其中8315A2D0型加速度计的灵敏度达4000mV/g,工作温度-55~125e,工作电压6~50V,可测量沿主轴方向的加速度和低频振动,具有良好的热稳定性和可靠性[12]。电容式MEMS加速度计因灵敏度高、噪声低及漂移小等优势在汽车和工业领域中应用广泛。压电式MEMS加速度计运用采用压电效应,运动时内置的质量块会产生压力,使支撑的刚体发生应变,最终把加速度转变成电信号输出。它具有519 王淑华:MEMS传感器现状及应用

微型传感器技术的原理与应用

随着物联网、智能家居等领域的迅速发展，传感器技术正在扮演着越来越重要的角色。而微型传感器，则是传感器技术中的一种重要分支，它不仅具有传统传感器的测量功能，而且尺寸更小、能耗更低。本文将从微型传感器技术的原理与应用两个方面进行论述。

一、微型传感器技术的原理

微型传感器是一种尺寸非常小的传感器，它可以通过微电子技术将传感元件集成在芯片上，具有体积小、功耗低、响应速度快、成本低等优点。微型传感器主要包括微压力传感器、微温度传感器、微湿度传感器、微流量传感器等。

下面以微压力传感器为例，介绍微型传感器的原理。微压力传感器的工作原理是基于微电子机械系统（MEMS）技术，它主要由四部分组成：压力传感器芯片、信号处理电路、信号输出电路以及连接线路。其中，压力传感器芯片是关键组成部分，它是由导电形变材料等微机电构件制成的。

当受到外界压力刺激时，压力传感器芯片会产生形变。通过将这种形变转化为电信号进行测量，我们就可以得到外界压力的大小。这种变化的量程通常经过校准，以确保输出的信号精度达到一定的标准。

二、微型传感器技术的应用

微型传感器它可以应用于多个领域，如自动化、智能家居、医疗健康、环境监测等。以下是其中的几个应用案例。

1. 智能家居

随着机器学习、人工智能等技术的应用，智能家居已经成为了一个越来越流行的概念。微型传感器可以与这些技术结合，为用户提供更加智能的家居体验。比如，我们可以安装微湿度传感器来监测房间内的湿度，如果湿度过高，就会自动打开加湿器，让环境更加舒适。

2. 医疗健康

微型传感器可以帮助医生们进行更加精准的诊断与治疗。比如，在糖尿病患者中，可以使用微压力传感器来测量血糖水平，以及跟踪患者的血糖变化。这可以使医生更加准确地诊断病情与制定治疗方案。

3. 环境监测

微型传感器可以安装在有害气体的检测中，可以在企业的生产过程中，进行二氧化碳、氨气、氮氧化物等气体的监测，并通过信号处理电路将数据传输到管理人员的手机App中监测到内部空气质量的相关情况，为企业员工创造舒适、健康的工作环境。

微型传感器在医疗领域的应用

摘要：随着科技的不断进步和创新，微型传感器在医疗领域的应用正引起越来越多的关注。微型传感器的出现为医疗诊断和治疗提供了全新的解决方案，大大改善了医疗过程中的监测和数据收集能力。

关键词：微型传感器；医疗领域；应用

引言

随着人们对个人健康和医疗需求的不断增长，微型传感器作为一种小巧而高效的技术解决方案，正成为医疗行业的重要工具。微型传感器的应用不仅可以帮助医生更准确地诊断和治疗疾病，还可以提供实时、非侵入性的监测，并为患者提供更好的医疗体验。

1微型传感器的基本原理

1.1效应原理

微型传感器根据被测量的参数或变量产生的效应（压力、温度、湿度等）来实现测量。不同的传感器根据测量对象的不同，采用不同的效应原理，压力传感器可以通过利用载荷电阻效应或电容效应来测量压力变化。

1.2信号转换

微型传感器通常将感知到的物理量转换为电信号，以便于采集、处理和传输。这通常通过使用传感元件和信号转换电路来完成。传感元件能够将物理量转换为电信号，而信号转换电路则负责将传感元件输出的模拟信号转换为数字信号或标准电压、电流信号。

1.3数据处理和传输 微型传感器通常需要配合数据处理和传输系统才能真正发挥作用。它们可以将采集到的数据进行处理、分析和存储，然后通过无线通信或有线接口传输给其他设备进行进一步的应用。

2实时监测与诊断技术

2.1描述微型传感器在实时生命体征监测中的应用

（1）心率、血压和呼吸频率的监测：微型传感器可安装在身体上，通过检测心脏的电活动、血液流动和胸部运动等指标来实时监测心率、血压和呼吸频率。这可以提供医生或患者对生命体征进行连续监测的能力，快速了解患者的健康状况，并及时采取必要的措施。

（2）血氧饱和度和体温的监测：微型传感器可利用光学或电化学技术测量血氧饱和度和体温。血氧饱和度是衡量氧气在血液中的含量，通过传感器非侵入性地检测手指尖或耳垂上的血氧水平。体温传感器可以使用柔性电子传感器，贴合皮肤并持续监测体温变化。这些实时监测可以帮助医护人员及时发现患者的不适和异常情况。

传感器在汽车中的应用

摘要: 随着电子技术的发展,现代汽车正朝着高档智能化、电子信息自动化的机电一体化产品方向发展。汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,是现代汽车发展的主导与核心。随着汽车工业与电子工业的不断发展,汽车传感器将成为汽车电子产品市场中最有需求力的产品。

关键词: 汽车 传感器 汽车电子 控制系统

现代汽车正朝着高档智能化、电子信息自动化的机电一体化产品方向发展,汽车传感器作为汽车电子控制系统的关键部件,是现代汽车发展的主导与核心,尤其伴随着汽车电子技术的飞速发展,低成本、智能、集成多功能的微型新型传感器将逐步取代传统的传感器,成为现代“电子汽车”发展的助推剂。

汽车传感器作为汽车电子控制系统的信息源,是汽车电子控制系统的关键部件,已在汽车设计与制造的发展中起主要角色作用。这一作用随着汽车功能,如稳定性控制、安全性控制和电子油门控制等技术领域研究内容的增多而愈来愈大。

目前,一般汽车装配有几十到近百个传感器,高级豪华汽车更是有大约几百乃至上千个传感器。而且随着汽车制造业的发展,一辆普通轿车安装的传感器数量和种类都将越来越繁多。这些形形色色的传感器坚守于汽车的各个关键部位,承担起汽车自身检测和诊断的重要责任,将汽车时时刻刻的温度、压力、速度及湿度等信息传达到汽车的神经中枢即中央控制系统中,从而将汽车故障消于未形,因此,有人形象地将传感器形容为汽车的敏感神经未梢。

当前,常用的汽车传感器主要表现在发动机控制系统、底盘控制系统、车身控制系统和导航系统中。它的应用大大提高了汽车电子化的程度,增加了汽车驾驶的安全系数。其作用就是对汽车温度、压力、位置、转速、加速度和振动等各种信息进行实时、准确的测量和控制。常用的有温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、加速度传感器、距离传感器 、陀螺仪和车速传感器、方向盘转角传感器等。

一、汽车发动机控制用传感器

发动机的电子控制一直被认为是MEMS技术在汽车中的主要应用于领域之一。发动机控制系统用传感器是整个汽车传感器的核心,种类很多,包括温度传感器、压力传感器、位置和转速传感器、流量传感器、气体浓度传感器和爆震传感器等。这些传感器向发动机的电子控制单元(ECU)提供发动机的工作状况信息,供电子控制单元(ECU)对发动机工作状况进行精确控制,以提高发动机的动力性、降低油耗、减少废气排放和进行故障检测。由于其工作在发动机振动、汽油蒸气、污泥和泥水等恶劣环境中,因此它们耐恶劣环境技术指标要高于一般的传感器。对于它们的性能指标要求最关键的是测量精度与可靠性。