MEMS傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

1、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 課 論 文MEM傳感器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景摘要：MEM傳感器是隨著納米技術(shù)的發(fā)展而興起的新型傳感 器, 具有很多新的特性 , 相對傳統(tǒng)傳感器其具有更大的優(yōu)勢。 在追求微型化的當(dāng)代 , 其具有良好的發(fā)展前景 ,必將受到各 個國家越來越多的重視。文章首先介紹了MEMS專感器的分類和典型應(yīng)用 , 然后著重對幾個傳感器進(jìn)行了介紹 , 最后對 MEM傳感器的發(fā)展趨勢與發(fā)展前景進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：MEM傳感器；加度計(jì)；陀螺儀；納米技術(shù)；微機(jī)構(gòu)； 微傳感器Status and Development Prospect of MEMS SensorsAbstract: MEMS senso

2、r is a new type of sensor with the development of nanotechnology. It has many new features, which has a great advantage over traditional sensors.In the pursuit of miniaturization of the contemporary,toits good prospects for development, will be subject more and more attention in various countries. F

3、irstly, the classification and typical application of MEMS sensor are introduced. Then, several sensors are introduced. Finally, the development trend and development prospect of MEMS sensor are analyzed. Key words: MEMS sensor; accelerometer; gyroscope; nanotechnology; micro-mechanism; micro-sensor

4、目錄一、引言 4二、背景 51. MEMS術(shù)的發(fā)展51.1MMES技術(shù)發(fā)展的浪潮 62. 目前已有的MEM傳感器62.1MEMS加速度計(jì)62.2 微壓力傳感器 82.3MEMS它螺92.4 微氣體傳感器 9三、結(jié)語 11參考文獻(xiàn) 12、引言MEMS專感器是采用微機(jī)械加工技術(shù)制造的新型傳感器，是MEM器件的一個重要分支。1962年,第一個硅微型壓力傳 感器的問世開創(chuàng)了 MEMS技術(shù)的先河，MEMS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā) 展促進(jìn)了傳感器性能的提升。作為MEM最重要的組成部分，MEM傳感器發(fā)展最快，一直受到各發(fā)達(dá)國家的廣泛重視。美、日、英、俄等世界大國將 MEMS專感器技術(shù)作為戰(zhàn)略性的研 究領(lǐng)域之一 , 紛

5、紛制定發(fā)展計(jì)劃并投入巨資進(jìn)行專項(xiàng)研究。隨著微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)和加工工藝的發(fā)展,MEM傳感器憑借體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏 度高、易于集成以及耐惡劣工作環(huán)境等優(yōu)勢 , 極大地促進(jìn)了 傳感器的微型化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。MEM傳感器正逐步占據(jù)傳感器市場 , 并逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的 主導(dǎo)地位 , 已得到消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī) 械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域的青睞。本文首先介紹了 MEMS專感器的產(chǎn)品分類和典型應(yīng)用。 其次 , 從類別、工藝技術(shù)、性能指標(biāo)、新型材料、最新產(chǎn)品 及應(yīng)用等方面詳細(xì)闡述了 MEMS壓力傳感器、加速度計(jì)和陀 螺儀的研究現(xiàn)狀。最后,對MEM傳

6、感器發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。、背景廣義上講,MEMS是指可批量制作的，集微機(jī)構(gòu)、微傳感器、 微執(zhí)行器以及信號處理及控制電路 , 乃至通信和電源于一體 的微型器件或機(jī)電系統(tǒng)。1.MEMS技術(shù)的發(fā)展1824年，硅的發(fā)現(xiàn)為微電子技術(shù)和MEM技術(shù)的發(fā)展奠定了材料基礎(chǔ)。 1954 年, 發(fā)現(xiàn)了壓阻效應(yīng) , 為微型壓力傳感器的 研制奠定了理論基礎(chǔ)。 1967 年提出了表面犧牲層工藝技術(shù) , 并在此基礎(chǔ)上制備出了具有高諧振頻率的懸臂梁結(jié)構(gòu)。 1970 年, 美國 Kuliet 公司展示了第一款硅加速度計(jì)。 1982 年, 德 國提出一種以高深寬比結(jié)構(gòu)為特色的 LIGA 工藝, 用于制造微 齒輪等衛(wèi)星機(jī)械部件。1

7、987年,MEMS乍為一個正式的名字在 美國誕生。2000年至今,MEMS高速發(fā)展，在聲學(xué) MEMS光學(xué)MEMS生物MEM和能源MEM等需要領(lǐng)域出現(xiàn)了形形色色的 微器件。1.1MMES技術(shù)發(fā)展的浪潮第一輪始于 20世紀(jì) 70年代末 80年代初。 1 987 年,美國 加州大學(xué)發(fā)明了基于表面犧牲層技術(shù)的微馬達(dá) , 引起國際學(xué) 術(shù)界的轟動，MEMS進(jìn)入新紀(jì)元。這一時期MEM產(chǎn)品主要為微 型壓力傳感器。第二輪出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代,主要圍繞CP和信息技術(shù) 的興起。 (1)1993 年, 美國 AD 公司將微型加速度計(jì)商品化 , 并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊 ;(2) 同年 , 美國 IT 公司的數(shù)字

8、微鏡裝置研制成功 , 從此徹底改變投影儀等視頻裝置的成像 方式 ;(3) 該時期出現(xiàn)的深度反應(yīng)粒子刻蝕 (DRI)E 技術(shù)以及 圍繞該技術(shù)發(fā)展的多種新型加工工藝極大地推動了MEMS技術(shù)的發(fā)展。第三輪出現(xiàn)在 20世紀(jì)末,21世紀(jì)初。2002年,ADI的MEMS 器件銷售額超過 1 億美元 , 但絕大部分仍來自汽車領(lǐng)域的安 全氣囊、導(dǎo)航、汽車報警和車輛動態(tài)控制系統(tǒng)等。第四輪出現(xiàn)在2006年以后。(1)MEMS在汽車方面的應(yīng)用 繼續(xù)推動市場 , 但其增長的真正驅(qū)動力轉(zhuǎn)向手機(jī)、游戲系統(tǒng) 和體育應(yīng)用方面的消費(fèi)品市場 ;(2)2006 年, 隨著任天堂和索 尼PS3等新一代游戲機(jī)開始采用 MEMS口速度計(jì)

9、，MEM滬業(yè)終 于打破了過去 10多年來依賴汽車應(yīng)用的宿命 1 。2.目前已有的MEM傳感器2.1MEMS加速度計(jì)MEMS加速度計(jì)，顧名思義，即是用來測量物體加速度的 儀器,MEMS加速度計(jì)即為微型加速度計(jì)，同傳統(tǒng)加速度計(jì)相比, 其具有體積更小、質(zhì)量更小的特點(diǎn)。根據(jù)測量原理 , 可分 為壓阻式微加速度計(jì)、電容式微加速度計(jì)、壓電式微加速度計(jì)。2.1.1 壓阻式微加速度計(jì)壓阻效應(yīng) : 在一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加一定的應(yīng)力時 其電阻率產(chǎn)生變化的現(xiàn)象。工作原理 : 當(dāng)外界有加速度輸入時 , 由理論力學(xué)原理得 知質(zhì)量塊會受到一個慣性力的作用 , 懸臂梁在此慣性力的作 用下會發(fā)生形變 , 并導(dǎo)致與懸臂梁固

10、連的壓阻膜也發(fā)生形變 由壓阻效應(yīng)原理知壓阻膜的電阻值會發(fā)生改變, 進(jìn)而壓阻膜兩端的電壓值發(fā)生變化 , 從而可以通過實(shí)驗(yàn)得到一系列電壓 與作用的慣性力的關(guān)系 , 而作用的慣性力又與外界輸入的加 速度有關(guān) , 從而便可以得到電壓與加速度的關(guān)系 , 進(jìn)而完成 對加速度的測量。優(yōu)點(diǎn) :(l) 原理結(jié)構(gòu)簡單 , 傳感器制作容易 ;(2) 接口和內(nèi) 部電路容易實(shí)現(xiàn)。缺 點(diǎn) :(l) 對 于溫 度 的變 化十分 敏 感 , 會影 響測 量精 度;(2) 靈敏度比較低 , 不便于測量微小的加速度變化 ;(3) 蠕 變和遲滯效應(yīng)比較明顯。2.1.2 電容式微加速度計(jì)基本原理 : 由于電容的變化與兩極板之間距離的

11、變化有 關(guān), 因此距離的變化可以通過電容的變化來測量, 由電容變化得到位移變化 , 再進(jìn)行微分運(yùn)算便可完成加速度的測量。工作原理 : 將質(zhì)量塊固連在基體上 , 并將電容式微加速 度計(jì)電容的一個極板同運(yùn)動的質(zhì)量塊固連 , 另一個極板則與 固定的基體固連。當(dāng)有加速度作用時 , 質(zhì)量塊發(fā)生位移 , 上下 電容發(fā)生變化 , 可以得到電容變化差值 , 進(jìn)而得到加速度。優(yōu)點(diǎn) :(l) 靈敏度和測量精度高 ;(2) 穩(wěn)定性好 ;(3) 溫度 漂移小 ;(4) 功耗極低 ;(5) 過載保護(hù)力較強(qiáng)。缺點(diǎn) :(l) 讀出電路復(fù)雜 ;(2) 易受寄生電容影響和電磁 干擾。2.1.3 壓電式微加速度計(jì)壓電效應(yīng) : 一

12、些電介質(zhì)在受到外界的作用而發(fā)生形變時 在電介質(zhì)的內(nèi)部會發(fā)生極化 , 與此同時 , 在該電解質(zhì)的表面 會由于極化現(xiàn)象的產(chǎn)生而出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后, 它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài) , 而當(dāng)作用在電介質(zhì)表面的 力的方向發(fā)生了改變 , 則極化出的電荷的極性也會發(fā)生改變 這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。工作原理 : 在彈性梁上覆蓋一層壓電材料膜 , 當(dāng)有外界 加速度作用于質(zhì)量塊時 , 在慣性力的作用下 , 彈性梁會因受 到外力而產(chǎn)生變形 , 由于壓電效應(yīng)原理知 , 器件結(jié)構(gòu)的上電 極和下電極間會產(chǎn)生電壓 , 由此便可通過測量電壓的變化確 定數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化公式 , 得到加速度的變化 , 進(jìn)而完成對加速 度的

13、測量。優(yōu)點(diǎn) :(1) 結(jié)構(gòu)比較簡單 ;(2) 容易測量。缺點(diǎn) :(l) 很難測量常加速度 ;(2) 溫度系數(shù)較大 ;(3) 器 件的線性度不夠好 ;(4) 壓電材料價格比較昂貴。2.2 微壓力傳感器memS專感器的發(fā)展在近幾年達(dá)到了發(fā)展的高峰期，追其根源,則可以追溯到 20世紀(jì) 60年代, 首個硅隔膜壓力傳感器 和應(yīng)變計(jì)的發(fā)明打開了微專感器發(fā)展的大門 , 隨后出現(xiàn)了各 種各樣的微專感器 ,但各種微專感器的發(fā)展并沒有影響微壓 力專感器的地位 , 直到目前為止 , 微壓力專感器仍然是各個 領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛 , 影響最為深遠(yuǎn)的微專感器。根據(jù)不同 的分類式,MEMS壓力傳感器可分為壓阻式、電容式和諧

14、振式 等, 同時也可分為圓形、方形、矩形和E 形等。微壓力專感器在航空航天、車輛、控制等多種領(lǐng)域內(nèi)都有廣泛的應(yīng)用。 在對車輛進(jìn)行安全性檢測時 , 需要知道車輛一些部位的壓力 情況 , 以此來確保汽車處于安全工作狀態(tài) , 此時便可利用微 壓力傳感器體積小等特點(diǎn) , 測量到一些利用傳統(tǒng)壓力傳感器 難以測量的部位的壓力 , 使車輛的安全系數(shù)更高。航空航天器在飛行的過程中 , 由于外界環(huán)境條件十分復(fù)雜 , 飛行器的 外表面可能受到各種載荷的影響 , 因此需要對飛行器外表面 所受到的壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測 , 防止其超出材料所能承受的極 限, 同時在飛行器的發(fā)動機(jī)內(nèi)部 , 不同的壓力條件下發(fā)動機(jī) 的工作性能會

15、產(chǎn)生很大的不同 , 甚至在一些極端的條件下壓 力過大過小會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停止工作 , 因此對發(fā)動機(jī)工作壓力 的實(shí)時監(jiān)測就顯得十分重要 , 利用微壓力傳感器則可順利完 成這些工作。2.3MEMS它螺角速度一般是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是 利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速 度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命 短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運(yùn)動控 制系統(tǒng)中應(yīng)用。實(shí)際上，如果不是受成本限制，角速度傳感 器可在諸如汽車牽引控制系統(tǒng)、攝象機(jī)的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀 器、軍事儀器、運(yùn)動機(jī)械、計(jì)算機(jī)慣性鼠標(biāo)、軍事等領(lǐng)域有 廣泛的應(yīng)用前景。因此 , 近年來人們

16、把目光投向微機(jī)械加工 技術(shù)，希望研制出低成本、可批量生產(chǎn)的固態(tài)陀螺。目前常 見的微機(jī)械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu) 2 ，懸臂梁結(jié)構(gòu)3 、音叉結(jié)構(gòu) 4 、振動環(huán)結(jié)構(gòu) 5 等。但是，目前實(shí)現(xiàn)的 微機(jī)械陀螺的精度還不到 10/h ，離慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需的 0.1 /h 相差尚遠(yuǎn)。2.4 微氣體傳感器根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感 器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅 材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿足人 們對氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許 多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，因而要同時 制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫

17、度。MEM技 術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測元件制作在一起，保證氣體 傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮 6 。諧振式氣敏傳感器不需要對器件進(jìn)行加熱，且輸出信號 為頻率量，是硅微氣敏傳感器發(fā)展的重要方向之一。北京大 學(xué)微電子所提出的 1 種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器 7 ，由硅梁、激 振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。微梁被置于被測氣體 中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質(zhì)量增加，使梁 的諧振頻率減小。這樣通過測量硅梁的諧振頻率可得到氣體 的濃度值。對N02氣體濃度的檢測實(shí)驗(yàn)表明，在0X 10-41 X 10-4的范圍內(nèi)有較好的線性，濃度檢測極限達(dá)到1 X 10- 6，當(dāng)工作頻率是 19kHz 時，靈敏度是 1.3

18、Hz/10 - 6 。德 國的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來檢測己烷氣體，得到- 0.099Hz/10 -6的靈敏度。三、結(jié)語隨著微納米技術(shù)的發(fā)展、微機(jī)械制造技術(shù)的成熟 , 越來 越多的傳感器開始向著微型化不斷發(fā)展。利用MEMS技術(shù)加工制作的微型傳感器具有微型化、集成化、低成本、易批量 生產(chǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn) , 其呈現(xiàn)出來的優(yōu)勢受到了越來越多國家 的重視 , 很多國家也開始投入重金發(fā)展微型傳感器。雖然目 前己經(jīng)開發(fā)出的微型傳感器還存在靈敏度低、工作區(qū)窄、精 度差等不足 , 但是相信隨著科研的深入 , 以后的微型傳感器 一定可以克服現(xiàn)階段的不足 , 呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展生機(jī)。參考文獻(xiàn)：1 肖應(yīng)超.MEMS專感器發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用J.中國高新技 術(shù)企業(yè) ,2016,(35):46-47.2 周百令 , 張江安 , 儲云仙 . 雙平衡環(huán)撓性陀螺接頭疲勞 壽命的可靠性預(yù)計(jì) J. 船舶工程 ,1996,(01):50-58+3.3 唐建飛 . 自升式鉆井平臺懸臂梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 D. 江蘇科技大學(xué) ,2016.4 鄧允朋 . 基于音叉效應(yīng)的雙質(zhì)量塊硅微陀螺儀結(jié)構(gòu)優(yōu) 化設(shè)計(jì) D. 東南大學(xué) ,2016.5 靳利波 . 磁致伸縮位移專感器在汽車減震器中的應(yīng)用 研究 D. 鄭州大學(xué)