基于MEMS技术的微机电传感器应用研究

基于MEMS的传感器技术研究

随着智能化浪潮的到来，传感技术在我们生活中得到了广泛的应用。而MEMS（微机电系统）技术作为其中的重要一环，不仅在工业生产中展示了强大的应用价值，更是在移动互联网、医疗设备、汽车领域和智慧城市建设中发挥出了重要的作用。本文将从MEMS基础和传感器技术的实际应用角度出发，探讨基于MEMS的传感器技术研究。

一、MEMS基础知识

MEMS技术最早可追溯到20世纪60年代，这是一种基于矽微技术和集成电路技术的微米级制造技术，主要应用于生物医学、航天、光学、电子、机械制造、自动化等领域。它能够在非常小的空间内集成电子功能，并能够同时完成多种功能操作，如传感、控制、计算和通信等。MEMS设备的尺寸较小，重量轻，功耗低，并能够集成在微型芯片之上。

MEMS包括控制、测量、执行等三种基本操作，它们的实现需要运用到传感、微加工和微系统技术。其中，传感技术是其中最基本的技术，可以将感知的物理量转换成电信号，并实现传输和处理。而基于MEMS的传感器技术，就是将传感器集成在MEMS芯片上，实现传感器的小型化、低功耗、高集成度和低成本，并开发出多种高性能、高可靠性的传感器产品。

二、基于MEMS的传感器技术实际应用

基于MEMS的传感器技术具有广泛的应用，下面就是部分实际应用案例：

1、惯性导航：基于MEMS的加速度传感器和陀螺仪，实现了小型化、低成本和长时间稳定性的惯性导航系统。这种惯性导航被广泛应用于无人机、汽车、高铁等领域。在GPS信号无法覆盖的情况下，它能够提供精准的导航数据。 2、医疗类传感器：基于MEMS的高精度压力传感器已经被广泛应用于医疗领域，如血压监测、呼吸机和药物注射等。同时，基于MEMS技术的加速度计也被应用于跌倒检测和姿态监测等领域。

3、智能家居：基于MEMS的人体红外传感器已经被应用于智能家居中。当有人靠近传感器时，它能够自动识别，从而开启家庭照明、风扇或者空调等设备。

微机电系统(MEMS)技术及在引信中的应用

刘　靖　石庚辰

(北京理工大学引信技术国防重点实验室　100081)

摘　要　对微机电系统技术的现状及其发展进行了介绍,并探讨了微机电系统技术在引信中的应用。关键词　微机电系统　微机械　微系统　引信分类号　TJ43

0　前言

随着微米纳米级测量技术和各种微细加工手段的出现,人类已经具备了探索微观世界所

必须的基本知识和物质手段,在此基础上,1958年诞生的第一块集成电路,1960年出现的硅平

面工艺和外延技术;1981年第一台扫描隧道显微镜(STM)的发明,1987～1988年世界上第一个微电机的转动成功分别标志着微观领域中的电子革命和机械制造业革命的开始。

过去37年的电子革命以生动的事实阐述了微观领域小型化、大批量、低成本制造能力的

实际内涵。处理速度超过70年代大型计算机的个人计算机此刻正摆在办公桌上,帮助我们处

理繁杂的日常事物;大容量的光盘数据存储装置将人类在漫长的历史长河中创造的灿烂文明

以多媒体数据的方式永久地保存了下来;由于全球定位系统(GPS)和小型通讯装置的出现,使我们可以置身于地球表面任何地点而不必担心迷失方向。

与微电子革命相呼应,微机电系统技术也正在以微观领域制造技术独有的小型、灵活、廉

价、批量制造的优势逐渐地然而又是深刻地改变着我们的生产和生活方式。

本文将对微机电系统技术的现状及其发展进行介绍,并对微机电系统技术在引信中的应

用进行探讨。

1　微机电系统技术的基本概念及特点

微机电系统(MicroelectromechanicalSystems—美国惯用词)又名微机械(Microma2

chine—日本惯用词)和微系统(Microsystems-欧洲惯用词),以下对这三个名词不再加以区分。其含义有两方面:一方面是指微机电系统本身在线度与体积上很小,一般将特征尺寸在1～100Λm的微机电系统称为微米级系统,而将特征尺寸在1～100nm

的微机电系统称为纳米级系统,例如:微型压力传感器小到可以放在注射针头内送进血管测量血液的流动情况,能在

4/2004

17科技导报4/2004科技导报

微机电系统(MEMS)技术的研究与应用

高世桥1曲大成2

(北京理工大学机电工程学院,博士、教授、博士生导师1;信息科学技术学院,博士2

北京100081)

一、微机电系统的发展

在自然界中,人们对未知领域的物理研究越来

越呈现出两级化的发展趋势。一方面是针对宇宙的

极大化研究,尺度特征为光年,研究手段以射电望

远镜为代表;另一方面是针对原子、分子和电子等

的极小化研究,尺度特征为微米、纳米甚至皮米,研

究手段以扫描隧道显微镜为代表。这其中,微型化

是近二三十年自然科学和工程技术发展的一个重

要趋势,而微/纳米技术的研究则推动了这一领域

的蓬勃发展。

微机电系统(MicroelectromechanicalSystems,简

称MEMS)是微/纳米技术研究的一个重要方向,是

继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次

革命。MEMS是指将微结构的传感技术、致动技术和

微电子控制技术集成于一体,形成同时具有“传感

-计算(控制)-执行”功能的智能微型装置或系

统。MEMS的加工尺寸在微米(μm)量级,系统尺寸

在毫米(mm)量级。它的学科交叉程度大,其研究已

延伸至机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等

学科,技术影响遍及包括各种传感器件、医疗、生物

芯片、通信、机器人、能源、武器、航空航天等领域。

MEMS的发展源于集成电路,但又与之有所区别;

MEMS能够感知物理世界中的各种信息,并由计算

单元对信息进行处理,再通过执行器对环境实施作

用与控制。微型化是MEMS的一个重要特点,但不

是唯一特点。首先,MEMS不仅体积小、重量轻,同时

具有谐振频率和品质因子高(高Q值)、能量损失小

等特点。其次,可批量加工特点大大降低了MEMS产品成本;若借助于MEMS器件库,MEMS的设计将

更加灵活,重用率更高。最后,强大的计算能力是

MEMS系统实现信息采集、处理、控制的关键,充分

利用集成电路的计算优势将会拓展MEMS在智能

微纳机电系统传感器的设计和制造研究

一、引言

微纳机电系统(MEMS)传感器是在微纳技术的基础上发展起来的传感器技术，具有体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高、响应速度快等优点。其应用领域包括但不限于医疗、环境监测、汽车、工业等。在本文中，将重点探讨微纳机电系统传感器的设计和制造研究。

二、微纳机电系统传感器的基本原理

微纳机电系统传感器主要由传感器芯片、信号处理器和数据输出模块组成。传感器芯片是传感器的核心部件，其根据不同的物理量设计相应的微结构，通过物理量与微结构之间的相互作用来实现信号转换。信号处理器将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并进行滤波、放大处理。数据输出模块则将数字信号输出到显示器或控制器上。

三、微纳机电系统传感器的设计

微纳机电系统传感器的设计需要考虑多方面的因素，包括但不限于以下几点：

1.传感器测量范围和精度 传感器的测量范围和精度直接关系到其可靠性和实用性。传感器的测量范围应该能够满足具体应用场景中需求的最大值和最小值。其精度则需要根据所测量的物理量特点来确定。

2.微结构设计

微结构的设计是传感器设计的核心，需要考虑到传感器所测量的物理量与微结构之间的相互作用，通过微结构的设计来实现物理量到信号的转换。

3.材料选择

材料的选择是微纳机电系统传感器设计的另一个关键因素。需要考虑到材料的力学性能、热学性能、化学稳定性、生物相容性以及制造成本等因素。

4.结构优化

传感器的结构优化是为了提高其灵敏度、响应速度、稳定性等方面的性能。结构优化包括但不限于微结构设计的优化、电路设计的优化以及信号处理算法的优化。

四、微纳机电系统传感器的制造技术

微纳机电系统传感器的制造技术主要包括芯片制造技术和封装技术。

1.芯片制造技术 芯片制造技术是微纳机电系统传感器制造的核心技术之一。其主要包括以下几个步骤：

(1)芯片设计：根据传感器的功能要求，设计出传感器的微结构，确定芯片的尺寸和形状。