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MEMS传感器

摘要

MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。

MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。

在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。

首先,本文简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。

论述了目前国内外MEMS传感器标准的现状,并就国内外MEMS传感器标准体系的发展过程、特点、标准体系存在的问题进行了分析探讨,同时,对我国MEMS传感器标准的发展对策提出了建议。

关键词:

MEMS传感器;加速度计;陀螺仪;纳米技术;微机构;微传感器

Abstract

MEMSsensorisanewtypeofsensorwiththedevelopmentofnanotechnology,withmanynewfeatures,relativetothetraditionalsensorhasagreateradvantage.MEMSsensorsawiderangeofrapiddevelopment,widelyused.Inthepursuitofminiaturizationofthecontemporary,itsgoodprospectsfordevelopment,willbesubjecttomoreandmoreattentioninvariouscountries.Firstofall,thispaperbrieflyintroducestheclassificationandtypicalapplicationofMEMSsensors.ThispaperdiscussesthecurrentsituationofMEMSsensorstandardathomeandabroad,andanalyzesthedevelopmentprocess,characteristicsandstandardsystemofMEMSsensorstandardsystemathomeandabroad,andputsforwardsomesuggestionsonthedevelopmentofMEMSsensorstandardinChina.

Keyword:

MEMSsensor;accelerometer;gyroscope;nanotechnology;micromechanism;microsensor.

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。

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,随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,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。

第1章MEMS技术概要

1.1MEMS技术的发展

1824年,硅的发现为微电子技术和MEMS技术的发展奠定了材料基础。

1954年,发现了压阻效应,为微型压力传感器的研制奠定了理论基础。

1967年提出了表面牺牲层工艺技术,并在此基础上制备出了具有高谐振频率的悬臂梁结构。

1970年,美国Kuliet公司展示了第一款硅基加速度计。

1982年,德国提出一种以高深宽比结构为特色的L工GA工艺,用于制造微齿轮等卫星机械部件。

1987年,MEMS作为一个正式的名字在美国诞生。

2000年至今,MEMS高速发展,在声学MEMS、光学MEMS、生物眼Ms和能源眼Ms等需要领域出现了形形色色的微器件。

1.2MMES技术发展的浪潮

◆第一轮始于20世纪70年代末80年代初。

1987年,美国加州大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达,引起国际学术界的轰动,MEMS进入新纪元。

这一时期眼Ms产品主要为微型压力传感器。

◆第二轮出现于20世纪90年代,主要围绕CP和信息技术的兴起。

（1）1993年,美国AD公司将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊;

（2）同年,美国IT公司的数字微镜装置研制成功,从此彻底改变投影仪等视频装置的成像方式;（3）该时期出现的深度反应粒子刻蚀（DRI）E技术以及围绕该技术发展的多种新型加工工艺极大地推动了MEMS技术的发展。

◆第三轮出现在20世纪末,21世纪初。

2002年,ADI的MEMS器件销售额超过1亿美元,但绝大部分仍来自汽车领域的安全气囊、导航、汽车报警和车辆动态控制系统等。

◆第四轮出现在2006年以后。

（1）MEMS在汽车方面的应用继续推动市场,但其增长的真正驱动力转向手机、游戏系统和体育应用方面的消费品市场;

（2）2006年,随着任天堂和索尼PS3等新一代游戏机开始采用MEMS加速度计,MEMS产业终于打破了过去10多年来依赖汽车应用的宿命。

第二章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[1]。

1.1MEMS加速度计

MEMS加速度计,顾名思义,是用来测量物体加速度的仪器,MEMS加速度计即微型加速度计,同传统加速度计相比,其具有体积更小、质量更小的特点。

根据测量原理,可分为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。

1.1.1压阻式微加速度计

压阻效应:

在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时,其电阻率产生变化的现象。

工作原理:

当外界有加速度输入时,由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用,悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变,并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变,由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变,进而压阻膜两端的电压值发生变化,从而可以通过实验得到一系列电压与作用的惯性力的关系,而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关,从而便可以得到电压与加速度的关系,进而完成对加速度的测量。

优点:

（1）原理结构简单,传感器制作容易;

（2）接口和内部电路容易实现。

缺点:

（1）对于温度的变化十分敏感,会影响测量精度;

（2）灵敏度比较低,不便于测量微小的加速度变化[2]。

1.1.2电容式微加速度计

基本原理:

由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关,因此距离的变化可以通过电容的变化来测量,由电容变化得到位移变化,再进行微分运算便可完成加速度的测量。

工作原理:

将质量块固连在基体上,并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连,另一个极板则与固定的基体固连[3]。

当有加速度作用时,质量块发生位移,上下电容发生变化,可以得到电容变化差值,进而得到加速度。

优点:

（1）灵敏度和测量精度高;

（2）稳定性好;（3）温度漂移小;（4）功耗极低。

缺点：

（1）读出电路复杂;

（2）易受寄生电容影响和电磁干扰。

1.1.3压电式微加速度计

压电效应:

一些电介质在受到外界的作用而发生形变时,在电介质的内部会发生极化,与此同时,在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷,当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,当作用在电介质表面的力的方向发生改变,则极化出的电荷的极性也会发生改变,这种现象称为压电效应。

工作原理:

在弹性梁上覆盖一层压电材料膜,当有外界加速度作用于质量块时,在惯性力的作用下,弹性梁会因受到外力而产生变形,由于压电效应原理知,器件结构的上电极和下电极间会产生电压,由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式,得到加速度的变化,进而完成对加速度的测量。

优点:

（1）结构比较简单;

（2）容易测量。

缺点:

（1）很难测量常加速度;

（2）温度系数较大;（3）器件的线性度不够好。

1.2微压力传感器

MEMS传感器的发展在近几年达到了的高峰期,追其根源,则可以追溯到20世纪60年代,首个硅隔膜压力传感器和应变计的发明打开了微传感器发展的大门,随后出现了各种各样的微传感器,但各种微传感器的发展并没有影响微压力传感器的地位,直到目前为止,微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广泛影响最为深远的微传感器。

根据不同的分类方式,MEMS压力传感器可分为压阻式电容式和谐振式等,同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。

微压力传感器在航空航天、车辆、控制等多种领域内都有广泛的应用。

在对车辆进行安全性检测时,需要知道车辆一些部位的压力情况,以此来确保汽车处于安全工作状态,此时便可利用微压力传感器体积小等特点,测量到一些利用传统压力传感器难以测量的部位的压力,使车辆的安全系数更高[4]。

航空航天器在飞行的过程中,由于外界环境条件十分复杂,飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响,因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测,防止其超出材料所能承受的极限,同时在飞行器的发动机内部,不同的压力条件下发动机的工作性能会产生很大的不同,在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作,因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要,利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。

1.3MEMS陀螺

在飞机飞行的过程中,需要对飞机的俯仰、偏航、滚转三个自由度进行测量,不光需要测量加速度,还需要测量角速度。

加速度可以使用加速度计进行测量,而角速度的测量一般是利用陀螺仪来进行测量的[5]。

目前使用的陀螺仪利用高速转动的物体具有定轴性,当具有角度偏转时,可以测量出偏转的角度,进行微分计算则可以得到角速度。

现在在飞机上使用的陀螺仪由于外部条件的要求,其精度十分高,但高精度带来的代价就是结构复杂、寿命短,使其使用成本大幅增加。

因此,目前为止,这种陀螺仪也仅仅使用在需要高精度的导航方面。

实际上,角速度传感器可在生活军事等各个领域都有广泛的应用。

近年来,随着微机械加工技术的不断发展与进步,制造精度的不断提高,制造可批量生产、精度较高的微型陀螺己经成为可能。

但是尽管己经有各种新型的微陀螺诞生,但尤于其还是一个刚刚起步的行业,有许多的问题还需要不断改进,且目前己经生产出的微陀螺,其测量精度较差,只能说可以实现功能,根本无法应用到实际,因此微型陀螺的发展仍然任重而道远。

1.4微气体传感

随着微纳米技术的发展各种不同性能的气体传感器也成为各国政府所重视的问题,微气体传感器应运而生。

根据微气体传感器制作材料的不同,微气体传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器[6]。

微气体传感器由于可以集成各种传感器于一块芯片,满足了人们在测量气体时多种测量的需要。

例如许多气敏传感器在不同的工作温度下可能测量会有明显的差异,每个气敏传感器都有一个属于自己的最佳测量温度。

因此在测量气体的时候,还需要对温度进行测量,以确定传感器适用的计算公式。

目前微机械制造技术发展比较完善,微纳米技术的发展更是让一个芯片可以完成很多不同的功能,将气敏传感器同温度传感器集成到一个芯片上,便可在测量气体的同时测量温度,保证气体测量的准确性。

1.5微温度传感器

微温度传感器体积小、重量轻,其固有热容量小,在温度测量方面具有比现有的热敏电阻等温度传感器更大的优势。

目前己开发的微悬臂梁温度传感器,利用了硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的不同[7]。

在不同的温度下,硅和二氧化硅的形变量不同,使得与其固连的悬臂梁的不同部分的形变量也不相同,而其形变可通过位于悬臂梁底部的检测电路来进行测量。

通过测量在不同温度下的不同形变,便可确定温度与形变的对应关系,进而便可以通过形变来确定温度。

这种测量方法通过实验证明其具有很高的精度,非线性误差也较小,可以在比较大的范围内进行测量。

第三章国内外MEMS传感器的标准化目前概况

2.1MEMS传感器标准化国内概况

我国MEMS传感器的标准基本为空白,仅有传统的传感器方面的标准,均是基于组件式的传感器标准。

我国组件式的传感器通用规范是以传感器的检测对象和转换原理交错建立的[8],通用规范较多,主要是因为这些传感器的工艺材料结构具有较大的差异。

2.2MEMS传感器标准化国外概况

目前,国外已颁布MEMS传感器标准的机构主要有国际电工技术委员会IEC和半导体工艺和设备技术委员会SEMI[9]。

国际电工技术委员会IEC:

将MEMS传感器的标准归口在TC47（半导体器件委员会）,迄今为止,颁布的标准仅有1个:

于2005年颁布了MEMS器件通用术语,还有2个试验方法在制定中。

美国国防部的军用规范MIL标准还没有MEMS传感器的标准,但是,美国航天局火箭发射中心（NASA）发布有《宇航应用的MEMES可靠性保证大纲》,该大纲详细介绍了与MEMS相关的材料属性、故障机理、生产工艺技术、器件组织结构以及封装技术,并站在用户的角度提出了用于空间环境的MEMS质量和可靠性的评价方法。

第四章对我国MEMS传感器标准发展对策的几点建议

3.1　推出我国自主创新的MEMS传感器标准

加强标准的研究力度,充分利用现有资源,推进自主创新进程,在MEMS传感器领域逐步建立我国自己的MEMS传感器通用规范,以指导MEMS传感器企业标准的制定;同时,加快产品的测量和标定方法、试验方法的标准的制定工作,具体方案如下:

1）参照半导体器件的标准模式,制定MEMS传感器通用规范,近期目标是建立多片和模块产品认证类型的通用规范,研究工艺材料认证类型的通用规范和工艺材料基线;长远目标是建立MEMS传感器工艺材料认证类型的通用规范和工艺材料基线。

2）试验方法方面,环境试验方法采用电子元器件环境试验方法,例如:

民用标准有国家标准GB2423系列标准等国标的环境试验方法;军用标准有国家军用标准GJB548,GJB150,GJB360等国军标的环境试验方法[10-12]。

测量和标定方法按照检测对象分类,参照IEC,ISO等国际标准制定成国家标准或军用标准。

3）加强军用MEMS传感器的可靠性试验的研究工作和数据积累工作,固化试验成果,建立数据资源系统,为产品的可靠性评价提供技术支撑和服务。

4）加强产品标准化研究,推出与国际接轨又符合我国国情的产品系列。

3.2　加强标准化工作的国际合作

MEMS传感器标准化工作在国外也是刚刚起步[13],我国MEMS传感器产品的研制水平接近国外先进水平,在国内组织行业标准化专家队伍,积极参与国际标准化工作,将我国MEMS传感器的标准化成果推入国际市场。

3.3　加强MEMS传感器标准化工作管理

传感器的研制、生产单位涉及各工业部门,标准化工作没有统一归口,各工业部门通过各种渠道分别制订自己的行业标准、国家标准、国家军用标准,标准重复立项,标准技术内容有较大的差异,给研制和使用带来困惑,甚至同一产品无法采用同一标准,标准没有起到标准化的作用[14],为避免MEMS传感器遭遇同样问题,建议国家主管部门采取措施,将MEMS传感器的标准化工作统一归口管理,建立MEMS传感器标准化专家组,协调和指导各部门的标准化工作。

第五章总结

随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟,越来越多的传感器开始向着微型化不断发展。

利用MEMS技术加工制作的微型传感器具有微型化、集成化、低成本、易批量生产等一系列优点,其呈现出来的优势受到了越来越多国家的重视,很多国家也开始投入重金发展微型传感器。

虽然目前己经开发出的微型传感器还存在灵敏度低、工作区窄、精度差等不足[15],但是相信随着科研的深入,以后的微型传感器一定可以克服现阶段的不足,呈现出蓬勃的发展生机。

参考文献

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[3]宋锐,刘宏立,李和平.MEMS姿态传感器在控制飞行器中的应用研究[J].科技创新导报,2016,1324:

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[5]屈召贵,龚名茂,汪光宅.基于MEMS陀螺传感的测斜仪研制[J].煤田地质与勘探,2017,4502:

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[6]迎九.尤政院士谈中国制造与传感器/MEMS的发展前景[J].电子产品世界,2017,2401:

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[9]胡胜新,徐德辉,熊斌,王跃林.MEMS镜片式眼压传感器设计[J].传感器与微系统,2017,03:

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[10]张迪雅,梁庭,姚宗,李旺旺,张瑞,熊继军.MEMS压阻式压力传感器倒装焊封装的研究和发展[J].电子技术应用,2016,4203:

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[11]王伟忠,张建志,何洪涛,杨拥军.MEMS超薄动态压力传感器[J].微纳电子技术,2016,5304:

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[12]博世创新科技引领MEMS传感器市场发展[J].汽车工艺师,2016,05:

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[13]梁琴琴,赵志耘,赵蕴华.全球MEMS传感器技术创新现状与趋势——基于2000-2014年专利分析[J].科技管理研究,2016,3610:

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[14]陈勤,范树新,张维波.MEMS传感器的标准化现状与发展对策[J].传感器与微系统,2007,08:

6-8.

[15]孔令纲,沈景春.MEMS传感器原理与结构简析[J].国外油田工程,2005,10:

40-41.

致谢

本论文是在刘老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。

她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。

老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意我还要感谢我身边的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始到论文结束，有多少可敬的师长、同学朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

毕业设计指导课

Graduationdesignguidancecourse

MEMS传感器综述

OverviewofMEMSsensors

系别：

自动化系

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控1403班

姓名：

曹梁梁

学号：

1492120301