MEMS傳感器及其應用課件

MEMS傳感器及其應用

徐敏敏池明敏黃夏靜滕風輝張曉雯王春柱余莉莉周彥祺黃鈺葭黃道MEMS傳感器及其應用1目錄1引言2.MEMS的發(fā)展歷史3.什么是MEMS傳感器4.MEMS傳感器的特點5.MEMS傳感器的研究內容6.MEMS在各個領域的應用7.MEMS相關公司介紹8.MEMS的封裝目錄1引言2MEMS的發(fā)展歷史MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。目前MEMS產業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢是產品應用的擴展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測試儀器等新領域擴張。推動第四輪商業(yè)化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的'片上實驗室'生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動器件。MEMS的發(fā)展歷史MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年3引言

傳感器種類多樣，因此根據用途、原理都有特定的分類。例如霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等。而傳感技術在近年來也得到了長足的發(fā)展，MEMS就是最具代表性的例子，MEMS技術讓我們能夠在有限的空間內最大限度地發(fā)揮傳感器的功能，廣泛用于多種場合。那么什么是MEMS呢？引言傳感器種類多樣，因此根據用途、原理都有特定的分類。例如4什么是MEMS傳感器??微機電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystems，MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術，它的操作范圍在微米范圍內。比它更小的，在納米范圍的類似的技術被稱為納機電系統(tǒng)。

MEMS（微機電系統(tǒng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。什么是MEMS傳感器??微機電系統(tǒng)（Microelectro5MEMS特點微型化智能化多功能高集成度適于大批量生產MEMS特點微型化6MEMS研究內容MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等。其研究內容一般可以歸納為以下三個基本方面：MEMS研究內容MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化7一、MEMS理論基礎在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（ScalingEffects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。一、MEMS理論基礎在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界8二、MEMS技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：（1）設計與仿真技術；（2）材料與加工技術；（3）封裝與裝配技術；（4）測量與測試技術；（5）集成與系統(tǒng)技術等二、MEMS技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面9三、MEMS應用研究人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS技術與航空航天、信息通信、生物化學、醫(yī)療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域相結合，制作出符合各領域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結構等MEMS器件與系統(tǒng)。MEMS還用于大量聲波雙工器（BulkAcousticWaveduplexer）與濾波器、麥克風、MEMS自動聚焦致動器、壓力感測器、MEMS微微型投影儀，甚至MEMS陀螺儀。三、MEMS應用研究人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術，10MEMS壓力傳感器原理目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機電傳感器。

硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的光刻版本如圖2。

MEMS壓力傳感器原理目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓11MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子：如TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機共軌壓力傳感器;消費電子，如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器、洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子，如數字壓力表、數字流量表、工業(yè)配料稱重等。MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子：12典型的MEMS壓力傳感器典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右是管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。典型的MEMS壓力傳感器典型的MEMS壓力傳感器管芯（d13在軍事中的應用作為一個在海上應用的實例,MEMS引信/保險和引爆F(xiàn)/SA裝置已成功地用于潛艇魚雷對抗武器上。引信/保險和引爆裝置的工作包括3個獨立步驟:發(fā)射魚雷后,解除炸藥保險、引爆引信和防止在不正確時間爆炸保險。陸地上的應用包括靈活且堅固的爆破裝置、發(fā)射裝置和其他使用MEMS慣性制導系統(tǒng)的武器平臺。MEMS輪胎壓力傳感器已經用在美國軍隊裝甲運兵車的輪胎中。分布式戰(zhàn)場微型傳感器網絡系統(tǒng)是可以準確地探測與查明敵人的作戰(zhàn)部署與軍隊調動的新型探測裝置,這種微型機電系統(tǒng)在布設、耐久和易損性等方面有明顯的優(yōu)點。在空中應用方面

,MEMS壓力傳感器已在F-14戰(zhàn)斗機彈射座的助推火箭上進行了測試。噴射式渦輪發(fā)動機使用的適于在惡劣環(huán)境下工作的材料,被用于各種監(jiān)視該類發(fā)動機內部動力學特性的傳感器上。在軍事中的應用14生物醫(yī)療和生物醫(yī)學方面的應用微機械技術在生物醫(yī)療中的應用尤其令人驚嘆。例如:將微型傳感器用口服或皮下注射法送入人體,就可對體內的五臟六腑進行直接有效的監(jiān)測。將特制的微型機器人送入人體,可刮去導致心臟病的油脂沉積物,除去體內的膽固醇,可探測和清除人體內的癌細胞,進行視網膜開刀時,大夫可將遙控機器人放入眼球內,在細胞操作、細胞融合、精細外科、血管、腸道內自動送藥等方面應用甚廣。MEMS的微小可進入很小的器官和組織和智能能自動地進行細微精確的操作的特點,可大大提高介入治療的精度,直接進入相應病變地進行工作,降低手術風險。同時,可進行基因分析和遺傳診斷,利用微加工技術制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計的器件適合于操作生物細胞和生物大分子。所以,微機械在現(xiàn)代醫(yī)療技術中的應用潛力巨大,為人類最后征服各種絕癥延長壽命帶來了希望。

生物醫(yī)療和生物醫(yī)學方面的應用微機械技術在生物醫(yī)療中的應用尤15游戲機游戲機是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戲機為例，微型運動傳感器能夠捕捉到玩家任何細微的動作，并將其轉化成游戲動作。MEMS技術讓玩家動起來，玩家陶醉于真實的游戲體驗，通過不同的動作融入到游戲中。例如，模仿一場真實的網球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動作等（圖3）。游戲機游戲機是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，以具有革命性16圖3：MEMS使玩家動起來圖4：MEMS運動控制式用戶界面MEMS傳感器及其應用課件17MEMS加速計MEMS技術在手機和PDA中的使用率正在提高，目前市場上采用MEM加速計的手機越來越多。手機中的MEMS加速計使人機界面變得更簡單、更直觀，通過手的動作就可以操作界面功能，全面增強了用戶的使用體驗。MEMS加速計MEMS技術在手機和PDA中的使用率正在提高，18

基于MEMS的線性加速計基于MEMS的線性加速計19MEMS加速計根據終端設備的指向，MEMS傳感器可以把圖像、視頻和網頁(無論是人物肖像還是風景畫面)進行旋轉。通過上下左右傾斜手機，還可以查看手機菜單；只要輕輕擊打手機機身，就可以在屏幕上選中不同的圖標，所有這些智能功能離不開新一代MEMS器件內嵌的先進數字技術。

有了MEMS加速計，只要把設備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶抖動手機和MP3播放器的動作，這個簡單的手勢可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。MEMS加速計根據終端設備的指向，MEMS傳感器可以把圖像、20

低功耗的MEMS運動傳感器還可用作先進的節(jié)能技術，當手機沒有關閉放在飯桌上時，MEMS傳感器將會把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊)全部關閉，以降低手機和便攜導航儀的能耗。只要碰觸一下機身，又可以打開全部功能。同樣地，無論何時，把手機正面向下反放在桌子上，手機設置就會切換到靜音模式；只要碰觸一下機身，就可以關閉靜音功能。MEMS運動控制技術折射出了未來手機的樣子：只有數量很少的按鍵，不再有普通的鍵盤。向手機輸入信息時，用戶在空中書寫數字和字母，MEMS傳感器識別這些動作，手機軟件將這些動作還原成數字和字母；軟件還可以把用戶預定的動作變成特殊的自定義功能。

低功耗的MEMS運動傳感器還可用作先進的節(jié)能技術，當手機沒21MEMS加速計與陀螺儀配合使用，可以把更先進的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)實，例如：能夠在空中操作的三維鼠標和遙控器。在這些設備中，傳感器檢測到用戶的手勢，將其轉換成PC屏幕上的光標移動或機頂盒和電視機的頻道和功能選擇。圖5是一個含有MEMS傳感器的遙控器解決方案，MEMS傳感器組、兩個陀螺儀和一個加速計檢測手腕或鼠標在空中的動作，同時微控制器執(zhí)行動作跟蹤和手勢識別功能。然后，重組的運動曲線通過無線連接發(fā)送到機頂盒或PC機，無線鏈路可以采用紅外或射頻，具體視應用要求而定。MEMS加速計與陀螺儀配合使用，可以把更先進的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)22圖7

在汽車領域，MEMS被用于導航和信息娛樂設備中

圖7

在汽車領域，MEMS被用于導航和信息娛樂設備中23MEMS陀螺儀陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，是補充MEMS加速計功能的理想技術。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。MEMS陀螺儀陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，24陀螺儀在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調節(jié)電路可簡化為電機驅動部分和加速傳感器感應電路兩部分：

-電機驅動部分通過靜電驅動方法，使機械元件前后振蕩，產生諧振;

-感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質點上產生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術，被成功地用于ST的MEMS產品線，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數字信號。陀螺儀在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調節(jié)電路可簡化為電機驅動部分和25iPhone目前大多數手機都含有MEMS傳感器實現(xiàn)重力加速計和陀螺儀的功能，例如被用在iPhone中。通過對旋轉時運動的感知，iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示，以便消費者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數字圖片。iPhone4到底用上了哪些傳感器呢？iPhone目前大多數手機都含有MEMS傳感器實現(xiàn)重力加速計26iPhone4中的傳感器1)影像傳感器 簡單說就是相機鏡頭，由于只牽涉到微光學與微電子，沒有機械 成份在里頭，即便加入馬達、機械驅動的鏡頭，這類的機械零件 也過大，不到「微」的地步，所以此屬于光電半導體，屬于光 學、 光電傳感器。2)亮度傳感器外界并不清楚iPhone4用何種方式感應環(huán)境光亮度，而最簡單的實現(xiàn)方式是用一個光敏電阻，或者，iPhone4直接用影像傳感器充當亮度偵測，也是可行。無論如此，此亦不帶機械成份，屬于光電類傳感器，甚至可能不是微型的，只是一般光學、光電傳感器。3)磁阻傳感器簡單講就是感測地磁，這樣講還是太學名，感應地磁就是指南針原理，將這種地磁感應電子化、數字化，就稱為數字指南針（DigitalCompass）。老實說，數字指南針技術比較偏玩具性，因為用來感測地磁的磁阻傳感器，很容易受環(huán)境影響（如高壓電塔旁、馬達旁），必須時時校正才有用。iPhone4中的傳感器1)影像傳感器27iPhone4中的傳感器4)近接傳感器近接傳感器的實現(xiàn)技術非常多種，可以是紅外線（例如便利商店的自動門、公共廁所的自動沖水器），可以是超音波、雷射等。同樣的，Apple沒講，我們只能亂猜或盡可能網搜，不過，近接傳感器也沒有迫切微型化的需要，不在熱門MEMS組件之列。5)聲波傳感器學名聲波傳感器，俗名麥克風。是的，iPhone4為了強化聲音質量，使用2組麥克風與相關運算來達到降噪（降低噪音）的效果，這種技術稱為數組麥克風（ArrayMIC），事實上早在Apple實行之前，2004年Wintel就已經在PC上提出過，差別是Apple用于手機，Wintel用于PC。麥克風需要微型化嗎？是的，需要，相當需要，且使用一個以上的麥克風，麥克風的體積縮小需求就更迫切，麥克風也牽涉到機械（聲波會使微型機械振動），并將機械振動轉換成電子信號，因此微型化的麥克風，是個不折不扣的MEMS傳感器。iPhone4中的傳感器4)近接傳感器28iPhone4中的傳感器6)加速度傳感器俗稱加速規(guī)、G-Sensor，可以感應物體的加速度性。事實上加速度傳感器的實現(xiàn)方式也是許多種，MEMS只是手法之一，用MEMS實現(xiàn)加速度傳感器確實是目前的趨勢。加速度傳感器一般有「X、Y兩軸」與「X、Y、Z三軸」兩種，兩軸多用于車、船等平面移動為多，三軸多用于飛彈、飛機等飛行物。而不用多說，Wii遙控器也是用三軸，iPhone可以感應實體翻轉而自動對應翻轉畫面，也是靠這個傳感器。7)角加速度傳感器更簡單講就是陀螺儀，陀螺儀實現(xiàn)技術有機械式與光學（紅外線、雷射）式，第六項的加速度傳感器比較能感測平移性，但對于物體有個軸心，進行角度性的移動，則其感應效果不如陀螺儀好，所以許多應用多半是混何使用加速度傳感器與陀螺儀，而今iPhone4也從善如流。不過，iPhone4確實是率先使用陀螺儀的手機。說了這么多，真的稱得上MEMS傳感器的，其實只有麥克風、加速度傳感器、陀螺儀三個，其他的傳感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本沒用及機械技術。iPhone4中的傳感器6)加速度傳感器29MEMS的公司從全球看，MEMS產品是由一些美國和亞洲公司開發(fā)的，包括意法半導體（ST）、ogDevices公司（ADI）、惠普公司（HP）、德州儀器公司（TI），以及Memsic公司。下文將介紹各個制造商及其主要MEMS產品的現(xiàn)況。MEMS的公司從全球看，MEMS產品是由一些美國和亞洲公司開30意法半導體公司意法半導體公司是最大的MEMS制造商之一，提供單軸和多軸陀螺儀的廣泛選擇，各種滿量程區(qū)間，適用于數位相機和數位錄像機的影像穩(wěn)定，以及提高戲應用中的用戶體驗。ST公司還提供3軸陀螺儀，能精確地測量沿三個正交軸的角速度。另外，STM還用下一代微電機聲學器件擴展了自己的產品組合。創(chuàng)新的MEMS麥克風采用了Omron的傳感器技術，能夠大幅地提高聲音質量，有出色的可靠性、健壯性，同時對現(xiàn)有/新興音頻應用都有很好的成本效益，如手機、無線設備以及手持戲機等。關鍵是，MEMS麥克風可以做得比最小的駐極體電容式麥克風（electretscondensermicrophone）還要小，而對度變化、機械振動和電磁干擾更不敏感。意法半導體公司意法半導體公司是最大的MEMS制造商之一，提供31ADI公司ADI公司同時提供類比與數位型的全向MEMS麥克風。最近，ADI與英飛凌科技公司商定共同發(fā)展下一代的汽車氣囊安全系統(tǒng)。這個ADI-英飛凌合作計劃將確保兩家公司相應產品發(fā)展藍圖的協(xié)調一致，以及各自傳感器與芯片組的互通性。這個合作也將加速先進氣囊系統(tǒng)的發(fā)展，為安全系統(tǒng)供應商和OEM商提供一個完整的設計平臺，從而實現(xiàn)一種可靠、具成本效益和易于使用的先進氣囊方案。ADI公司ADI公司同時提供類比與數位型的全向MEMS麥克風32惠普公司惠普公司最近推出一種慣性探測技術（inertialsensingtechnology），能夠用來開發(fā)可當作高階傳感器使用的數位MEMS加速度計。HP預計該技術將使芯片的靈敏度比今天市場上的批量產品提高1000倍。這種傳感器是以該公司已率先商業(yè)應用在其打印機墨盒的MEMS技術為基礎?；萜展净萜展咀罱瞥鲆环N慣性探測技術（inertial33

MEMS的封裝顯然地，MEMS已在我們今天常生活中的各種應用中扎下根基。其普及的主要動力來自于成本低與體積小，從而能夠做出更小、更輕和更廉價的最終產品。但在MEMS前方并非一片光明。一項挑戰(zhàn)是封裝問題，因為MEMS器件的多樣性以及每個要暴露的不同環(huán)境。封裝加上測試，很容易就會將成本增加一倍。在不影響產品性能的情況下，研究出標準化和更廉價的封裝已成為MEMS設計的主要關注目標。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研發(fā)力量，試圖加強自己在封裝制程中的地位，為各種新設備開發(fā)新的專用封裝。當前長足的進步與工程進展讓我們對MEMS或SoC有更新的理解。對設計工程師而言，這確實是富于挑戰(zhàn)且令人興奮的時代！

34MEMS傳感器的封裝封裝曾是MEMS技術的難點。傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。隨著MEMS封裝技術取得了很大進展，出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術，大多數研究都集中在特殊應用的不同封裝工藝，但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設計，通?？蓪⑵浞譃?個封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。MEMS傳感器的封裝封裝曾是MEMS技術的難點。35從傳感器的應用來說，有些MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進行相互影響。例如，在壓阻傳感器內，封裝應力就會影響傳感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時，它們的膨脹和收縮系數不同，因此，這些變化引起的應力就附加在傳感器的壓力值中。在光學MEMS器件中，由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產生的封裝應力會使光器件和光纖之間的對準發(fā)生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中，封裝需要和MEMS芯片隔離以優(yōu)化性能（見下圖）。從傳感器的應用來說，有些MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進行36結束語當前,MEMS技術正處于高速發(fā)展前夕,21世紀會展現(xiàn)一個大發(fā)展的局面,它的廣泛應用和效益將強有力地顯示出來,它對信息、航空、航天、自動控制、醫(yī)學、生物學、力學、熱學、光學、近代物理和工程學等諸領域發(fā)展的影響將是深遠的,人類的生產和生活方式也會因此而發(fā)生重大改變結束語當前,MEMS技術正處于高速發(fā)展前夕,21世紀37MEMS傳感器及其應用

徐敏敏池明敏黃夏靜滕風輝張曉雯王春柱余莉莉周彥祺黃鈺葭黃道MEMS傳感器及其應用38目錄1引言2.MEMS的發(fā)展歷史3.什么是MEMS傳感器4.MEMS傳感器的特點5.MEMS傳感器的研究內容6.MEMS在各個領域的應用7.MEMS相關公司介紹8.MEMS的封裝目錄1引言39MEMS的發(fā)展歷史MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。目前MEMS產業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢是產品應用的擴展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測試儀器等新領域擴張。推動第四輪商業(yè)化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的'片上實驗室'生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動器件。MEMS的發(fā)展歷史MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年40引言

傳感器種類多樣，因此根據用途、原理都有特定的分類。例如霍爾傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等等。而傳感技術在近年來也得到了長足的發(fā)展，MEMS就是最具代表性的例子，MEMS技術讓我們能夠在有限的空間內最大限度地發(fā)揮傳感器的功能，廣泛用于多種場合。那么什么是MEMS呢？引言傳感器種類多樣，因此根據用途、原理都有特定的分類。例如41什么是MEMS傳感器??微機電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystems，MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術，它的操作范圍在微米范圍內。比它更小的，在納米范圍的類似的技術被稱為納機電系統(tǒng)。

MEMS（微機電系統(tǒng)）是指集微型傳感器、執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統(tǒng)。什么是MEMS傳感器??微機電系統(tǒng)（Microelectro42MEMS特點微型化智能化多功能高集成度適于大批量生產MEMS特點微型化43MEMS研究內容MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等。其研究內容一般可以歸納為以下三個基本方面：MEMS研究內容MEMS技術的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化44一、MEMS理論基礎在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（ScalingEffects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。一、MEMS理論基礎在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界45二、MEMS技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：（1）設計與仿真技術；（2）材料與加工技術；（3）封裝與裝配技術；（4）測量與測試技術；（5）集成與系統(tǒng)技術等二、MEMS技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面46三、MEMS應用研究人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS技術與航空航天、信息通信、生物化學、醫(yī)療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域相結合，制作出符合各領域要求的微傳感器、微執(zhí)行器、微結構等MEMS器件與系統(tǒng)。MEMS還用于大量聲波雙工器（BulkAcousticWaveduplexer）與濾波器、麥克風、MEMS自動聚焦致動器、壓力感測器、MEMS微微型投影儀，甚至MEMS陀螺儀。三、MEMS應用研究人們不僅要開發(fā)各種制造MEMS的技術，47MEMS壓力傳感器原理目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器，兩者都是在硅片上生成的微機電傳感器。

硅壓阻式壓力傳感器是采用高精密半導體電阻應變片組成惠斯頓電橋作為力電變換測量電路的，具有較高的測量精度、較低的功耗，極低的成本?；菟诡D電橋的壓阻式傳感器，如無壓力變化，其輸出為零，幾乎不耗電。其電原理如圖1所示。硅壓阻式壓力傳感器其應變片電橋的光刻版本如圖2。

MEMS壓力傳感器原理目前的MEMS壓力傳感器有硅壓阻式壓48MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子：如TPMS（輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)）、發(fā)動機機油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動機進氣歧管壓力傳感器（TMAP）、柴油機共軌壓力傳感器;消費電子，如胎壓計、血壓計、櫥用秤、健康秤，洗衣機、洗碗機、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器、洗衣機、飲水機、洗碗機、太陽能熱水器用液位控制壓力傳感器;工業(yè)電子，如數字壓力表、數字流量表、工業(yè)配料稱重等。MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器廣泛應用于汽車電子：49典型的MEMS壓力傳感器典型的MEMS壓力傳感器管芯（die）結構和電原理如圖7所示，左是電原理圖，即由電阻應變片組成的惠斯頓電橋，右是管芯內部結構圖。典型的MEMS壓力傳感器管芯可以用來生產各種壓力傳感器產品，如圖8所示。MEMS壓力傳感器管芯可以與儀表放大器和ADC管芯封裝在一個封裝內（MCM），使產品設計師很容易使用這個高度集成的產品設計最終產品。典型的MEMS壓力傳感器典型的MEMS壓力傳感器管芯（d50在軍事中的應用作為一個在海上應用的實例,MEMS引信/保險和引爆F(xiàn)/SA裝置已成功地用于潛艇魚雷對抗武器上。引信/保險和引爆裝置的工作包括3個獨立步驟:發(fā)射魚雷后,解除炸藥保險、引爆引信和防止在不正確時間爆炸保險。陸地上的應用包括靈活且堅固的爆破裝置、發(fā)射裝置和其他使用MEMS慣性制導系統(tǒng)的武器平臺。MEMS輪胎壓力傳感器已經用在美國軍隊裝甲運兵車的輪胎中。分布式戰(zhàn)場微型傳感器網絡系統(tǒng)是可以準確地探測與查明敵人的作戰(zhàn)部署與軍隊調動的新型探測裝置,這種微型機電系統(tǒng)在布設、耐久和易損性等方面有明顯的優(yōu)點。在空中應用方面

,MEMS壓力傳感器已在F-14戰(zhàn)斗機彈射座的助推火箭上進行了測試。噴射式渦輪發(fā)動機使用的適于在惡劣環(huán)境下工作的材料,被用于各種監(jiān)視該類發(fā)動機內部動力學特性的傳感器上。在軍事中的應用51生物醫(yī)療和生物醫(yī)學方面的應用微機械技術在生物醫(yī)療中的應用尤其令人驚嘆。例如:將微型傳感器用口服或皮下注射法送入人體,就可對體內的五臟六腑進行直接有效的監(jiān)測。將特制的微型機器人送入人體,可刮去導致心臟病的油脂沉積物,除去體內的膽固醇,可探測和清除人體內的癌細胞,進行視網膜開刀時,大夫可將遙控機器人放入眼球內,在細胞操作、細胞融合、精細外科、血管、腸道內自動送藥等方面應用甚廣。MEMS的微小可進入很小的器官和組織和智能能自動地進行細微精確的操作的特點,可大大提高介入治療的精度,直接進入相應病變地進行工作,降低手術風險。同時,可進行基因分析和遺傳診斷,利用微加工技術制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計的器件適合于操作生物細胞和生物大分子。所以,微機械在現(xiàn)代醫(yī)療技術中的應用潛力巨大,為人類最后征服各種絕癥延長壽命帶來了希望。

生物醫(yī)療和生物醫(yī)學方面的應用微機械技術在生物醫(yī)療中的應用尤52游戲機游戲機是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戲機為例，微型運動傳感器能夠捕捉到玩家任何細微的動作，并將其轉化成游戲動作。MEMS技術讓玩家動起來，玩家陶醉于真實的游戲體驗，通過不同的動作融入到游戲中。例如，模仿一場真實的網球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動作等（圖3）。游戲機游戲機是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，以具有革命性53圖3：MEMS使玩家動起來圖4：MEMS運動控制式用戶界面MEMS傳感器及其應用課件54MEMS加速計MEMS技術在手機和PDA中的使用率正在提高，目前市場上采用MEM加速計的手機越來越多。手機中的MEMS加速計使人機界面變得更簡單、更直觀，通過手的動作就可以操作界面功能，全面增強了用戶的使用體驗。MEMS加速計MEMS技術在手機和PDA中的使用率正在提高，55

基于MEMS的線性加速計基于MEMS的線性加速計56MEMS加速計根據終端設備的指向，MEMS傳感器可以把圖像、視頻和網頁(無論是人物肖像還是風景畫面)進行旋轉。通過上下左右傾斜手機，還可以查看手機菜單；只要輕輕擊打手機機身，就可以在屏幕上選中不同的圖標，所有這些智能功能離不開新一代MEMS器件內嵌的先進數字技術。

有了MEMS加速計，只要把設備向某一方向傾斜，就能在小屏幕上詳細查看地圖，顯示放大的圖像。MEMS還能檢測到用戶抖動手機和MP3播放器的動作，這個簡單的手勢可以讓播放器跳到下一首歌或返回到上一首歌。MEMS加速計根據終端設備的指向，MEMS傳感器可以把圖像、57

低功耗的MEMS運動傳感器還可用作先進的節(jié)能技術，當手機沒有關閉放在飯桌上時，MEMS傳感器將會把耗電大的模塊(如顯示器背光板和GPS模塊)全部關閉，以降低手機和便攜導航儀的能耗。只要碰觸一下機身，又可以打開全部功能。同樣地，無論何時，把手機正面向下反放在桌子上，手機設置就會切換到靜音模式；只要碰觸一下機身，就可以關閉靜音功能。MEMS運動控制技術折射出了未來手機的樣子：只有數量很少的按鍵，不再有普通的鍵盤。向手機輸入信息時，用戶在空中書寫數字和字母，MEMS傳感器識別這些動作，手機軟件將這些動作還原成數字和字母；軟件還可以把用戶預定的動作變成特殊的自定義功能。

低功耗的MEMS運動傳感器還可用作先進的節(jié)能技術，當手機沒58MEMS加速計與陀螺儀配合使用，可以把更先進的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)實，例如：能夠在空中操作的三維鼠標和遙控器。在這些設備中，傳感器檢測到用戶的手勢，將其轉換成PC屏幕上的光標移動或機頂盒和電視機的頻道和功能選擇。圖5是一個含有MEMS傳感器的遙控器解決方案，MEMS傳感器組、兩個陀螺儀和一個加速計檢測手腕或鼠標在空中的動作，同時微控制器執(zhí)行動作跟蹤和手勢識別功能。然后，重組的運動曲線通過無線連接發(fā)送到機頂盒或PC機，無線鏈路可以采用紅外或射頻，具體視應用要求而定。MEMS加速計與陀螺儀配合使用，可以把更先進的選擇功能變?yōu)楝F(xiàn)59圖7

在汽車領域，MEMS被用于導航和信息娛樂設備中

圖7

在汽車領域，MEMS被用于導航和信息娛樂設備中60MEMS陀螺儀陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，是補充MEMS加速計功能的理想技術。事實上，如果組合使用加速計和陀螺儀這兩種傳感器，系統(tǒng)設計人員就可以跟蹤并捕捉三維空間的完整運動，為最終用戶提供現(xiàn)場感更強的用戶使用體驗、精確的導航系統(tǒng)以及其它功能。MEMS陀螺儀陀螺儀能夠測量沿一個軸或幾個軸運動的角速度，61陀螺儀在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調節(jié)電路可簡化為電機驅動部分和加速傳感器感應電路兩部分：

-電機驅動部分通過靜電驅動方法，使機械元件前后振蕩，產生諧振;

-感應部分通過測量電容變化來測量科里奧利力在感應質點上產生的位移，這是一個穩(wěn)健、可靠的技術，被成功地用于ST的MEMS產品線，能夠提供強度與施加在傳感器上的角速率成正比的模擬或數字信號。陀螺儀在系統(tǒng)方面，陀螺儀的信號調節(jié)電路可簡化為電機驅動部分和62iPhone目前大多數手機都含有MEMS傳感器實現(xiàn)重力加速計和陀螺儀的功能，例如被用在iPhone中。通過對旋轉時運動的感知，iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示，以便消費者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數字圖片。iPhone4到底用上了哪些傳感器呢？iPhone目前大多數手機都含有MEMS傳感器實現(xiàn)重力加速計63iPhone4中的傳感器1)影像傳感器 簡單說就是相機鏡頭，由于只牽涉到微光學與微電子，沒有機械 成份在里頭，即便加入馬達、機械驅動的鏡頭，這類的機械零件 也過大，不到「微」的地步，所以此屬于光電半導體，屬于光 學、 光電傳感器。2)亮度傳感器外界并不清楚iPhone4用何種方式感應環(huán)境光亮度，而最簡單的實現(xiàn)方式是用一個光敏電阻，或者，iPhone4直接用影像傳感器充當亮度偵測，也是可行。無論如此，此亦不帶機械成份，屬于光電類傳感器，甚至可能不是微型的，只是一般光學、光電傳感器。3)磁阻傳感器簡單講就是感測地磁，這樣講還是太學名，感應地磁就是指南針原理，將這種地磁感應電子化、數字化，就稱為數字指南針（DigitalCompass）。老實說，數字指南針技術比較偏玩具性，因為用來感測地磁的磁阻傳感器，很容易受環(huán)境影響（如高壓電塔旁、馬達旁），必須時時校正才有用。iPhone4中的傳感器1)影像傳感器64iPhone4中的傳感器4)近接傳感器近接傳感器的實現(xiàn)技術非常多種，可以是紅外線（例如便利商店的自動門、公共廁所的自動沖水器），可以是超音波、雷射等。同樣的，Apple沒講，我們只能亂猜或盡可能網搜，不過，近接傳感器也沒有迫切微型化的需要，不在熱門MEMS組件之列。5)聲波傳感器學名聲波傳感器，俗名麥克風。是的，iPhone4為了強化聲音質量，使用2組麥克風與相關運算來達到降噪（降低噪音）的效果，這種技術稱為數組麥克風（ArrayMIC），事實上早在Apple實行之前，2004年Wintel就已經在PC上提出過，差別是Apple用于手機，Wintel用于PC。麥克風需要微型化嗎？是的，需要，相當需要，且使用一個以上的麥克風，麥克風的體積縮小需求就更迫切，麥克風也牽涉到機械（聲波會使微型機械振動），并將機械振動轉換成電子信號，因此微型化的麥克風，是個不折不扣的MEMS傳感器。iPhone4中的傳感器4)近接傳感器65iPhone4中的傳感器6)加速度傳感器俗稱加速規(guī)、G-Sensor，可以感應物體的加速度性。事實上加速度傳感器的實現(xiàn)方式也是許多種，MEMS只是手法之一，用MEMS實現(xiàn)加速度傳感器確實是目前的趨勢。加速度傳感器一般有「X、Y兩軸」與「X、Y、Z三軸」兩種，兩軸多用于車、船等平面移動為多，三軸多用于飛彈、飛機等飛行物。而不用多說，Wii遙控器也是用三軸，iPhone可以感應實體翻轉而自動對應翻轉畫面，也是靠這個傳感器。7)角加速度傳感器更簡單講就是陀螺儀，陀螺儀實現(xiàn)技術有機械式與光學（紅外線、雷射）式，第六項的加速度傳感器比較能感測平移性，但對于物體有個軸心，進行角度性的移動，則其感應效果不如陀螺儀好，所以許多應用多半是混何使用加速度傳感器與陀螺儀，而今iPhone4也從善如流。不過，iPhone4確實是率先使用陀螺儀的手機。說了這么多，真的稱得上MEMS傳感器的，其實只有麥克風、加速度傳感器、陀螺儀三個，其他的傳感器多是夸大延伸，不是不用微型化，就是根本沒用及機械技術。iPhone4中的傳感器6)加速度傳感器66MEMS的公司從全球看，MEMS產品是由一些美國和亞洲公司開發(fā)的，包括意法半導體（ST）、ogDevices公司（ADI）、惠普公司（HP）、德州儀器公司（TI），以及Memsic公司。下文將介紹各個制造商及其主要MEMS產品的現(xiàn)況。MEMS的公司從全球看，MEMS產品是由一些美國和亞洲公司開67意法半導體公司意法半導體公司是最