MEMS技术与其应用(整理版)

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。

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。

基于MEMS技术的传感器设计与应用近年来，随着科学技术的不断发展，微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）技术在传感器设计与应用领域逐渐得到广泛应用。

MEMS传感器以其小巧、低功耗、高灵敏度和快速响应等特点，已经成为现代科技发展中不可或缺的部分。

本文将从MEMS传感器的基本原理、设计和应用角度，探讨其在现实生活中的重要性和应用前景。

首先，我们来了解一下MEMS传感器的基本原理。

MEMS传感器使用微米级别的加工技术，将电子元器件、机械元件和传感器相互结合，实现对物理量的测量和检测。

其基本工作原理是利用微机电系统制造工艺，将微小的机械振动转化为电信号，通过电路进行信号放大和处理，实现对物理量的检测和测量。

在MEMS传感器的设计过程中，需要考虑多个参数，包括传感元件的灵敏度、响应时间、功耗、稳定性和可靠性等。

首先，灵敏度是传感器设计中最为重要的指标之一。

它决定了传感器对待测物理量变化的响应程度。

其次，响应时间是指传感器从接收到输入信号到输出满足一定条件的时间。

较短的响应时间意味着传感器对于快速变化的物理量更为敏感。

此外，功耗也是设计中需要考虑的重要指标。

低功耗的传感器可以提高电池续航能力，并减少能源供应对传感器的需求。

最后，稳定性和可靠性是指传感器在长期使用和在不同环境下的性能保持一致。

良好的稳定性和可靠性保证了传感器在各种应用中的准确性和可操作性。

基于MEMS技术的传感器在许多领域都有广泛的应用。

例如，在汽车工业中，MEMS传感器被广泛应用于安全气囊控制系统和车辆稳定控制系统中。

通过检测车辆的动态参数，如加速度和角速度，MEMS传感器能够及时触发安全气囊并提供车辆稳定性控制的依据。

此外，MEMS传感器还广泛应用于智能手机、平板电脑和可穿戴设备等消费电子产品中。

通过加速度传感器和陀螺仪等MEMS传感器，智能手机等设备可以实现自动旋转屏幕、姿势识别等功能。

微电子机械系统（MEMS）技术在军工和民生的应用及发展趋势引言微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical Systems,简称MEMS）是20世纪80年代末在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一种新兴技术，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究设计制造具有特定功能的微型装置。

它结合了机械可动结构和大规模、低成本、微电子加工的优点，在微小尺度上实现与外界电、热、光、声、磁等信号的相互作用。

微电子机械系统通常指特征尺度大于1nm小于1μm，结合电子和机械部件并集成了IC工艺的装置。

MEMS在航空、航天、军事、汽车、生物医学、环境监控等人们所接触到的几乎所有领域都有十分广阔的应用前景，它是未来国防领域及国民生活领域的关键技术和支撑技术。

MEMS的突出特点有：1．微型化：MEMS硬件不仅体积小而且重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高。

2．以硅为主要材料，机械电器性能较好；硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导接近钨。

3．多样化：MEMS含有数字和总线接口，具有在网络中应用的条件，便于与PC系统集成。

4．集成化：可以把不同功能，不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成在一起，或形成微传感器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5．多学科交叉：MEMS技术集成了电子信息，机械制造，材料与自动控制，物理，化学等诸多学科，并应用了当今许多高科技成果。

MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，MEMS工艺已经应用于军民生活中。

本文就它在国防和民用领域的应用作一介绍，并分析它未来的发展前景。

一、MEMS技术在军事设备中的应用状况众所周知，最尖端的科技总是先应用于国防，MEMS也一样，军事领域是它应用最早的领域之一。

这很大程度上推动了MEMS技术的飞速发展。

当前，MEMS技术在军事上的应用被世界各个国家所重视。

mems压力传感器原理及应用一、MEMS压力传感器的基本原理MEMS压力传感器是一种微机电系统（MEMS）技术应用的传感器，它通过测量介质的压力来实现对物理量的检测。

其基本原理是利用微机电系统技术制造出微小结构，通过这些结构对介质产生的压力进行敏感检测，并将检测到的信号转换为可读取的电信号。

二、MEMS压力传感器的结构1. 敏感元件：敏感元件是MEMS压力传感器最核心的部分，它通常由微型弹性薄膜或微型悬臂梁等制成。

当介质施加在敏感元件上时，它会发生形变，从而改变其阻抗、电容、电阻等物理参数。

2. 支撑结构：支撑结构是用于支撑敏感元件和保持其稳定工作状态的部分。

通常采用硅基板或玻璃基板制成。

3. 封装壳体：封装壳体主要用于保护敏感元件和支撑结构不受外界环境影响，并提供良好的密封性和机械强度。

三、MEMS压力传感器的工作原理1. 压电式压力传感器：压电式压力传感器是利用压电效应来测量介质的压力。

当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，并产生相应的电荷，从而实现对介质压力的检测。

2. 电阻式压力传感器：电阻式压力传感器是利用敏感元件阻值随着形变程度的变化来检测介质的压力。

当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其阻值大小。

3. 电容式压力传感器：电容式压力传感器是利用敏感元件与基板之间的微小空气间隙产生的电容值随着形变程度的变化来检测介质的压力。

当介质施加在敏感元件上时，会使得其发生形变，从而改变其与基板之间空气间隙大小。

四、MEMS压力传感器的应用1. 工业领域：MEMS压力传感器广泛应用于工业自动化、流量计量、液位控制等领域中。

2. 汽车领域：MEMS压力传感器在汽车领域的应用主要包括轮胎压力检测、制动系统控制、发动机燃油喷射等方面。

3. 医疗领域：MEMS压力传感器在医疗领域的应用主要包括血压计、呼吸机等方面。

4. 生物医学领域：MEMS压力传感器在生物医学领域的应用主要包括心脏起搏器、人工耳蜗等方面。

cmos mems技术与应用CMOSMEMS （ComplementaryMetalOxideSemiconductorMicro-Electro-Mechani calSystems）技术是一种利用集成电路上金属氧化物半导体（MOS）来制造微机电系统（MEMS）元件的技术，是一种新型的微系统技术，它能够将微机电系统（MEMS）与集成电路（IC）结合在一起，实现小型、节能、耐用的解决方案。

CMOS MEMS技术的优势在于它可以利用常见的MOS材料来实现小尺寸的MEMS元件，而且价格低廉，因此，它可以用于制造各种低成本的微机电系统（MEMS）应用，如检测、显示、控制和传感器等。

CMOS MEMS技术的关键步骤是将普通的MOS微管作为一种低成本的机械制造材料，再利用一系列复杂的工艺进行制作，如涂层、加热、刻蚀、熔融、金属电镀等。

二、CMOS MEMS技术的应用CMOS MEMS技术可以用于制造各种小型的微机电元件，如传感器、移动式机械执行元件和微液滴系统等，并把它们集成到一个系统中，实现快速甚至是实时的检测和控制功能，包括加速度计、陀螺仪、压力传感器、湿度传感器、热释电传感器等。

此外，CMOS MEMS技术还可以用于制造各种精密机械元件，如驱动电机、驱动凸轮机构、推拉动力接合机构和各种气动元件，这些集成元件具有体积小、重量轻、低能耗、耐高温、耐腐蚀等优势，可以应用于航天器、汽车和医疗保健等行业，从而推动各类创新新产品的研发。

三、未来发展趋势随着技术的不断进步，CMOS MEMS技术的应用越来越多，未来几年，人们可以期待更多的应用，如物联网、自动驾驶以及人工智能等领域。

此外，由于CMOS MEMS技术中制造过程的复杂性，传统方法难以实现大部分MEMS元件的高积分化、三维集成和尺寸缩小，因此，研究人员正在研究新的技术，如智能制造技术，以实现CMOS MEMS技术应用上更高的精度。

四、结论CMOS MEMS技术是一种新兴的微系统技术，它能够将微机电系统元件与集成电路结合在一起，实现小型、节能、耐用的解决方案，可以用于各种低成本的应用，如传感器、气动机构和机械元件等，并有望在物联网、自动驾驶以及人工智能等领域得到更广泛的应用。

MEMS的应用一．手机方面移动电话的销售量每年都达到上亿部，虽然新用户是重要市场，但这些销售量的大部分来源是将其已有移动电话升级为带有最新功能的新电话的用户。

移动电话制造商和业务供应的生存问题取决于在原有常规功能的基础上提供新的“必备”功能的能力。

业务供应商需要这些新功能带来的增值业务以提高其收益（照相手机即是一个很好的例子——照相手机用户通过业务供应商的无线网络给他们的朋友发送图片或视频，从而为业务供应商带来重要的积极收入），同时移动电话制造商需要定期地更新他们具有新功能的系列产品以防止他们的产品过于商业化。

使用MEMS加速度计的运动检测技术能提供许多新功能，包括增强移动电话可用性、可靠性和允许启动的新功能。

确实，一旦手持中装有加速度计这种硬件，只要简单地增加软件便可实现其几种新的功能。

本文将介绍移动电话几种新功能并解释其工作原理。

本文也讨论在每一个应用中起重要作用的器件性能。

应当注意的是，本文中提到的一些应用和（或）算法可能受专利权保护。

这里对它们的介绍仅为教学目的。

建议读者在将这些技术用于产品设计之前尚需付出努力。

拿起电话检测实际上最好的手势识别系统采用用户根本不用学习的自然动作。

一个很好的例子就是拿起振铃电话。

虽然人们已经习惯于按“发送（send）”按钮接听电话，但是拿起电话并且将它移到耳边则更加直觉。

通过使用加速度计，当感觉到移动电话在响铃后就已经启动了正在被移动的手机。

拿起电话移到耳边所产生的运动信号可被加速度计检测到并且被微控制器中断。

如图1所示，在各种情形下每一个人拿起电话所产生的运动流程极其相似。

这种类型的运动（当运动加速度在瞬时之后减速到零并且它的位置发生变化，正如由15 cm～100 cm范围内的两位整数确定的位置变化）相当普遍，所以当电话振铃时产生的这种运动几乎确定地表示拿起电话。

这个概念是可靠的手势识别的关键因素之一：使用前后关系有助于理解动作的可能含义。

图1. 移动电话放到你的耳边时的典型加速度波形利用一只±2g测量范围的三轴加速度计对于上述应用已经足够。

射频MEMS传感器的原理及应用射频MEMS传感器（RF-MEMS）是一种应用于射频（RF）领域的微机电系统（MEMS）技术。

它利用微机电技术的晶圆加工工艺制造出微小的机械结构，并结合射频电路，实现对射频信号的感知、调控和处理。

射频MEMS传感器在无线通信、雷达、卫星通信和无线传感等领域具有广泛的应用。

射频MEMS传感器的工作原理是利用微机电系统制造微小的机械结构，通过改变这些结构的机械状态来改变射频信号的特性。

其中主要包括以下几种类型的射频MEMS传感器：1. 变容型传感器：利用机械结构的变形来改变电容值，进而改变射频电路的特性。

这种传感器常用于射频调谐电路中，用于调整天线的谐振频率。

2. 可调谐滤波器：利用机械结构的可变状态来调节滤波器的通带和阻带。

这种传感器常用于无线通信系统中，用于滤除不需要的频率成分。

3. 可变振膜传感器：利用机械结构的变形来改变振膜的频率响应，进而实现对射频信号的调制和解调。

这种传感器常用于音频振膜、压电振膜和麦克风等应用中。

射频MEMS传感器具有以下几个显著的优点：1. 大范围可调性：由于射频MEMS传感器利用微机电系统制造微小的机械结构，因此可以实现大范围的尺寸和电性能调节。

这使得射频MEMS传感器能够满足不同应用场景的需求。

2. 低功耗：射频MEMS传感器的工作原理是利用机械结构的变形来改变射频信号的特性，因此不需要耗费大量的能量来实现信号的调控和处理。

这使得射频MEMS传感器能够在电池供电的无线传感系统中得到广泛应用。

3. 高稳定性：射频MEMS传感器的机械结构通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和抗干扰性。

这使得射频MEMS传感器适用于复杂的工作环境和极端的温度条件下。

射频MEMS传感器在各个领域有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 无线通信：射频MEMS传感器可以用于调节天线的谐振频率，实现天线的可调谐性和多频段支持。

同时，射频MEMS传感器可以用于滤除不需要的频率成分，提高通信系统的抗干扰性和频谱利用效率。

新型MEMS器件的设计与应用实例互联网的发展使得人们对硬件设备的需求越来越高。

在众多硬件设备中，MEMS器件由于其小巧、高效、低功耗等特点，成为了人们关注的热点。

本文旨在介绍新型MEMS器件的设计和应用实例。

一、MEMS器件概述微机电系统（MEMS）器件是指制造工艺基于半导体工艺的微米级机械和电气器件。

MEMS器件通常由微机械、微电子、传感器和执行器等组成。

由于MEMS器件具有小巧、高效、低功耗等优点，因此广泛应用于汽车、医疗、照明、生物、安防等领域。

二、MEMS器件的设计2.1 MEMS器件的制造工艺MEMS器件的制造工艺主要有薄膜工艺、批量浅刻蚀（DRIE）工艺、电解抛光工艺和光刻工艺等。

其中，薄膜工艺是将气相化学品通过化学反应沉积在薄膜上，用于制造电极、电感、电容等器件。

批量浅刻蚀工艺是使用一种特殊的淀粉酸溶液使硅片表面产生无规则的微峰和微谷，用于制造微结构和传感器。

电解抛光工艺是利用化学腐蚀的方法，将硅片表面的材料去掉，用于制造微通道和微阀。

光刻工艺是将照射面上的图案转移到硅片表面，用于制造微结构和传感器等。

2.2 MEMS器件的设计MEMS器件的设计需要考虑到其应用场景和制造工艺。

常见的MEMS器件设计包括惯性传感器、压力传感器、声波器件、机械阀和活塞式MEMS振荡器等。

以压力传感器为例，其设计要考虑到压力范围、灵敏度、温度稳定性、功耗等因素。

设计时可以采用微机械加工技术制造出微纳米级别的测量膜片，然后通过电极、电容等结构对其进行测量。

三、MEMS器件的应用实例3.1 车用MEMS智能传感器车用MEMS智能传感器可以实时感知车辆的运行状态，监测车辆的节气门、氧传感器等部位的工作情况。

通过对数据的分析和处理，可以实现自适应控制和预警功能，提升车辆的安全性和燃油利用率。

3.2 医疗器械MEMS传感器医疗器械MEMS传感器可以用于人体内部的传感探头，实现微创手术、药物递送等功能。

传感器可以测量人体内部的生理信号，如心电图、脑电图、呼吸等信号，并将其转变为数字信号进行处理。

一文深度了解MEMS传感器的应用场景（值得典藏）MEMS传感器作为获取信息的关键器件，对各种传感装置的微型化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、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

MEMS传感器典型应用如下图：随着电子技术的发展，MEMS的应用领域越来越广泛，由最早的工业、军用航空应用走向普通的民用和消费市场。

在智能手机上，MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用；在汽车上，MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统（TPMS）和车辆稳定性控制增强车辆的性能；医疗领域，通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵，并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式；在可穿戴应用中，MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。

汽车电子MEMS传感器的应用汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者，MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定（比如要求所有汽车采用TPMS系统）和汽车智慧化的发展趋势。

全球平均每辆汽车包含10個传感器，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，车越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽车上就有70多只MEMS。

MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。

其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬挂（ECS）、电动手刹（EPB）、斜坡起动辅助（HAS）、胎压监控（EPMS）、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。

目前，压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器四类器件合计占汽车MEMS系统的99%。

MEMS压力传感器MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器，至少18个汽车应用领域促进压力传感器的增长，包括：轮胎压力，电子稳定控制系统中的刹车传感器，侧面气囊，与日益严格的排放标准相关的引擎控制，大气压力与废气再循环压力。