MEMS传感器技术与生物医学应用研究

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。

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

MEMS技术在生物医学中的应用

随着微电子技术的发展，MEMS ( Micro-Electro-Mechanical

Systems ) 技术也逐渐被应用于生物医学领域。MEMS技术以微米或纳米级别的线性、转动、弯曲和膨胀等机械位移效应，以及群体作用为基础，实现了集成化、微型化和高精度的运动控制、信号检测、流动控制等功能。它在医疗诊断、生命科学、药物研发等方面具有广阔的前景。

MEMS技术在生物医学中的应用主要有以下几个方面：

1. MEMS传感器在生命科学研究中的应用

MEMS传感器可以用于生命科学研究中的动态监测和分析。例如，MEMS压力传感器可以用于血压监测和动脉血流变化检测；MEMS加速传感器可以用于运动监测和肌肉疲劳分析；MEMS荧光探头可以用于药物筛选和生物分子检测；MEMS TEM探针可以用于高分辨率的细胞成像等。这些传感器可以将许多生命科学指标转化为电信号，便于记录、分析和研究。

2. 全自动化实验芯片

MEMS技术可以在微通道中引入一系列的功能模块，实现微流控，将需要进行的各个步骤缩小到微米级别的区域，通过微米级的通道网络将反应分子分离、混合、诱导、分析和检测，对生物分子进行精细处理和快速分析。这种微流控全自动化实验芯片可以同时完成样品预处理、混合反应、产物分离、检测等成千上万的生物实验，有效提高了实验效率。

3. 生物芯片

生物芯片采用类似半导体芯片的技术，将数以千计的微小的反应区域集成到一个晶片上，用于在生物样本中进行特定的反应。MEMS技术可以制造出非常复杂的生物芯片，包括基于PCR技术的扩增芯片、DNA芯片、蛋白质芯片等一系列生命科学芯片。生物芯片具有高精度、高通量、高灵敏度和快速分析等特点，已经成为许多生物医学领域研究的重要工具。

4. MEMS传输

MEMS流控技术可以带来微型流体静电喷雾器、微流控传感器和微磁场操控装置等全新的生物医药应用。例如，MEMS微型流体控制器被广泛用于微型诊断测试设备、实验室实验仿生应用、微型流体控制手术等领域。

光学传感器在生物医学领域中的应用

光学传感器是一种利用光学原理进行物理量测量的传感器。它通过感受光信号来测量物理信号，以此作为控制和监控系统的反馈。光学传感器的应用范围广泛，包括工业、制造、建筑、安全等领域。然而，在生物医学领域中，光学传感器的应用尤其出色，成为一种精准、高效、非侵入式和快速的检测手段。

近年来，随着生物医学研究的不断深入，光学传感器逐渐成为生物医学领域的重要工具，被广泛应用于生命科学、医疗保健、生物化学、药物研发等方向。在这些方向中，光学传感器能够实现高通量、定量、高灵敏度的检测，以及在复杂生物矩阵中进行分子诊断和动态监测等功能。

一、生命科学领域中的应用

光学传感器在生命科学研究中的应用越来越广泛，特别是在基因组学、蛋白质组学和细胞研究方面。例如，光学传感器可以用于分析DNA和RNA序列，进行基因测序和基因突变分析。同时，光学传感器也能够对蛋白质进行高通量筛选、鉴定和定量检测，从而了解蛋白质互作的生化过程。此外，光学传感器还能用于细胞培养、细胞增殖和凋亡、细胞迁移、细胞信号转导等领域的研究，其中包括单个细胞的实时监测，具有非常高的实用性和科学价值。

二、医疗保健领域中的应用

在医疗保健领域中，光学传感器不仅能用于生物诊断和医学影像学方面的应用，也可作为医疗设备和手术工具的配套设备。例如，光学传感器可以用于无创测量血糖、血压、血氧、体温等生理指标，实现家庭医疗和临床应用的便捷化。此外，光学传感器还可以作为激光切割、激光消融、激光修复等医疗手术的配套设备，为手术医生提供重要的监控和反馈，避免手术中的误操作和安全隐患。

三、生物化学和药物研发领域中的应用

在生物化学和药物研发领域中，光学传感器的应用尤其突出。通过使用荧光或吸收光谱学等技术，光学传感器可以实现高灵敏、高通量、实时的荧光共振能量转移技术（FRET）和表面增强拉曼散射技术（SERS）等检测手段，对生物小分子、蛋白质、核酸、细胞等的相互作用进行定量和质量分析，为医药研发提供重要的实验数据和理论依据。此外，光学传感器还广泛应用于药物筛选、药物转运、药物动力学等领域。