MEMS傳感器是在微(wēi)電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一(yī)。它涉及電子、機械、材料、物理學、化(huà)(huà)學、生(shēng)物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。

一(yī)

MEMS技術的主要分類

1、傳感

傳感MEMS技術是指用微(wēi)電子微(wēi)機械加工(gōng)出來的、用敏感元件(jiàn)如電容、壓電、壓阻、熱(rè)電耦、諧振、隧道(dào)電流等來感受轉換電信号的器件(jiàn)和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體(tǐ)、磁、光(guāng)、聲、生(shēng)物、化(huà)(huà)學等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微(wēi)型加速度傳感器、真空微(wēi)電子傳感器等。傳感器的發展方向是陣列化(huà)(huà)、集成化(huà)(huà)、智能化(huà)(huà)。由于傳感器是人(rén)類探索自(zì)然界的觸角，是各種自(zì)動化(huà)(huà)裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來将備受世界各國(guó)的重視。

2、生(shēng)物

生(shēng)物MEMS技術是用MEMS技術制(zhì)造的化(huà)(huà)學/生(shēng)物微(wēi)型分析和檢測芯片或儀器，有一(yī)種在襯底上制(zhì)造出的微(wēi)型驅動泵、微(wēi)控制(zhì)閥、通道(dào)網絡、樣品處理器、混合池、計(jì)量、增擴器、反應器、分離(lí)器以及檢測器等元器件(jiàn)并集成為多功能芯片。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離(lí)、檢測和後處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微(wēi)縮在一(yī)個(gè)芯片上。生(shēng)物MEMS系統具有微(wēi)型化(huà)(huà)、集成化(huà)(huà)、智能化(huà)(huà)、成本低(dī)的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少(shǎo)、實時通信、連續檢測的特點。國(guó)際上生(shēng)物MEMS的研究已成為熱(rè)點，不(bù)久将為生(shēng)物、化(huà)(huà)學分析系統帶來一(yī)場重大的革新。

3、光(guāng)學

随著(zhe)信息技術、光(guāng)通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一(yī)領域是與光(guāng)學相(xiàng)結合，即綜合微(wēi)電子、微(wēi)機械、光(guāng)電子技術等基礎技術，開(kāi)發新型光(guāng)器件(jiàn)，稱為微(wēi)光(guāng)機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件(jiàn)與微(wēi)光(guāng)學器件(jiàn)、光(guāng)波導器件(jiàn)、半導體(tǐ)激光(guāng)器件(jiàn)、光(guāng)電檢測器件(jiàn)等完整地(dì)(dì)集成在一(yī)起。形成一(yī)種全新的功能系統。MOEMS具有體(tǐ)積小、成本低(dī)、可批量生(shēng)産、可精确驅動和控制(zhì)等特點。較成功的應用科學研究主要集中(zhōng)在兩個(gè)方面:一(yī)是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光(guāng)的空間調制(zhì)，典型代表為數字微(wēi)鏡陣列芯片和光(guāng)栅光(guāng)閥；二是通信系統，主要研究通過微(wēi)鏡的物理運動來控制(zhì)光(guāng)路發生(shēng)預期的改變，較成功的有光(guāng)開(kāi)關調制(zhì)器、光(guāng)濾波器及複用器等光(guāng)通信器件(jiàn)。MOEMS是綜合性和學科交叉性很(hěn)強的高新技術，開(kāi)展這個(gè)領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件(jiàn)開(kāi)發。

4、射頻(pín)

射頻(pín)MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件(jiàn)包括本體(tǐ)微(wēi)機械加工(gōng)傳輸線、濾波器和耦合器，可動的MEMS器件(jiàn)包括開(kāi)關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微(wēi)機械開(kāi)關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件(jiàn)層面；由移相(xiàng)器、濾波器和VCO等組成的組件(jiàn)層面；由單片接收機、變波束雷達、相(xiàng)控陣雷達天線組成的應用系統層面。

二

MEMS傳感器的主要應用領域有哪些(xiē)？

1、醫療

MEMS傳感器應用于無創胎心檢測，檢測胎兒心率是一(yī)項技術性很(hěn)強的工(gōng)作，由于胎兒心率很(hěn)快(kuài)，在每分鐘(zhōng)l20～160次之間，用傳統的聽診器甚至隻有放大作用的超聲多普勒儀，用人(rén)工(gōng)計(jì)數很(hěn)難測量準确。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少(shǎo)數大醫院使用，在中(zhōng)、小型醫院及廣大的農村(cūn)地(dì)(dì)區無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會(huì)對胎兒産生(shēng)很(hěn)大的不(bù)利作用。盡管檢測劑量很(hěn)低(dī)，也(yě)屬于有損探測範疇，不(bù)适于經常性、重複性的檢查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一(yī)種無創胎心檢測方法，研制(zhì)出一(yī)種簡單易學、直觀準确的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自(zì)檢的醫療輔助儀器。通過加速度傳感器将胎兒心率轉換成模拟電壓信号，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然後進行濾波等一(yī)系列中(zhōng)間信号處理，用A/D轉換器将模拟電壓信号轉換成數字信号。通過光(guāng)隔離(lí)器件(jiàn)輸入到單片機進行分析處理，最後輸出處理結果。

基于MEMS加速度傳感器設計(jì)的胎兒心率檢測儀在适當改進後能夠以此為終端，做(zuò)一(yī)個(gè)遠(yuǎn)程胎心監護系統。醫院端的中(zhōng)央信号采集分析監護主機給出自(zì)動分析結果，醫生(shēng)對該結果進行診斷，如果有問(wèn)題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦随時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。

2、汽車(chē)

MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道(dào)壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶矽作材料，以采用MEMS技術在材料中(zhōng)間制(zhì)作成力敏膜片，然後在膜片上擴散雜質形成四隻應變電阻，再以惠斯頓電橋方式将應變電阻連接成電路，來獲得(de)高靈敏度。車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。

而MEMS加速度計(jì)的原理是基于牛頓的經典力學定律，通常由懸挂系統和檢測質量組成，通過微(wēi)矽質量塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統、防滑系統、汽車(chē)導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計(jì)還有壓電式、隧道(dào)電流型、諧振式和熱(rè)電偶式等形式。其中(zhōng)，電容式MEMS加速度計(jì)具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微(wēi)加速度計(jì)中(zhōng)的主流産品。

微(wēi)陀螺儀是一(yī)種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導航的GPS信号補償和汽車(chē)底盤控制(zhì)系統，主要有振動式、轉子式等幾種。應用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶矽或多晶矽的振動質量塊在被基座帶動旋轉時産生(shēng)的哥氏效應來感測角速度。例如汽車(chē)在轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內(nèi)側或者外側車(chē)輪上加上适當的制(zhì)動以防止汽車(chē)脫離(lí)車(chē)道(dào)，通常，它與低(dī)加速度計(jì)一(yī)起構成主動控制(zhì)系統。

3、運動追蹤

在運動員的日常訓練中(zhōng)，MEMS傳感器可以用來進行3D人(rén)體(tǐ)運動測量，對每一(yī)個(gè)動作進行記錄，教練們對結果分析，反複比較，以便提高運動員的成績。随著(zhe)MEMS技術的進一(yī)步發展，MEMS傳感器的價格也(yě)會(huì)随著(zhe)降低(dī)，這在大衆健身房中(zhōng)也(yě)可以廣泛應用。

在滑雪(xuě)方面，3D運動追蹤中(zhōng)的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得(de)極精确的觀察能力，除了可提供滑雪(xuě)闆的移動數據外，還可以記錄使用者的位置和距離(lí)。在沖浪方面也(yě)是如此，安裝在沖浪闆上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿闆距離(lí)、水溫以及消耗的熱(rè)量等信息。

4、手機拍照(zhào)

在MEMS Drive出現之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現防抖(簡稱鏡頭防抖技術)，受到很(hěn)大的局限。而另一(yī)個(gè)在市(shì)場上較高端的防抖技術：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動，但由于這個(gè)技術體(tǐ)積龐大、耗電量超出手機載荷，一(yī)直無法在手機上應用。

憑著(zhe)微(wēi)機電在體(tǐ)積和功耗上的突破，最新技術MEMS Drive類似一(yī)張貼在圖像傳感器背面的平面馬達，帶動圖像傳感器在三個(gè)旋轉軸移動。MEMS Drive 的防抖技術是透過陀螺儀感知拍照(zhào)過程中(zhōng)的瞬間抖動，依靠精密算法，計(jì)算出馬達應做(zuò)的移動幅度并做(zuò)出快(kuài)速補償。這一(yī)系列動作都(dōu)要在百分之一(yī)秒內(nèi)做(zuò)完，你得(de)到的圖像才不(bù)會(huì)因為抖動模糊掉。

目前，全世界有大約600餘家單位從事MEMS的研制(zhì)和生(shēng)産工(gōng)作，已研制(zhì)出包括微(wēi)型壓力傳感器、加速度傳感器、微(wēi)噴墨打印頭、數字微(wēi)鏡顯示器在內(nèi)的幾百種産品，其中(zhōng)MEMS傳感器占相(xiàng)當大的比例。MEMS傳感器是采用微(wēi)電子和微(wēi)機械加工(gōng)技術制(zhì)造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相(xiàng)比，它具有體(tǐ)積小、重量輕、成本低(dī)、功耗低(dī)、可靠性高、适于批量化(huà)(huà)生(shēng)産、易于集成和實現智能化(huà)(huà)的特點。同時，在微(wēi)米量級的特征尺寸使得(de)它可以完成某些(xiē)傳統機械傳感器所不(bù)能實現的功能。

随著(zhe)時間的推移和技術的逐步發展，MEMS所包含的內(nèi)容正在不(bù)斷增加，并變得(de)更加豐富。MEMS內(nèi)容歸納為集成傳感器、微(wēi)執行器和微(wēi)系統。人(rén)們還把微(wēi)機械、微(wēi)結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS範疇。制(zhì)作MEMS的技術包括微(wēi)電子技術和微(wēi)加工(gōng)技術兩大部分。微(wēi)電子技術的主要內(nèi)容有:氧化(huà)(huà)層生(shēng)長(cháng)、光(guāng)刻掩膜制(zhì)作、光(guāng)刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離(lí)子注入)、薄膜(層)生(shēng)長(cháng)、連線制(zhì)作等。

微(wēi)加工(gōng)技術的主要內(nèi)容有矽表面微(wēi)加工(gōng)和矽體(tǐ)微(wēi)加工(gōng)(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制(zhì)作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微(wēi)電子技術可制(zhì)造集成電路和許多傳感器。微(wēi)加工(gōng)技術很(hěn)适合于制(zhì)作某些(xiē)壓力傳感器、加速度傳感器、微(wēi)泵、微(wēi)閥、微(wēi)溝槽、微(wēi)反應室、微(wēi)執行器、微(wēi)機械等，這就(jiù)能充分發揮微(wēi)電子技術的優勢，利用MEMS技術大批量、低(dī)成本地(dì)(dì)制(zhì)造高可靠性的微(wēi)小衛星。

MEMS技術主要屬于微(wēi)米技術範疇，MEMS技術大都(dōu)基于現有技術，用由大到小的技術途徑制(zhì)作出來的，發展了一(yī)批新的集成器件(jiàn)，大大提高了器件(jiàn)的功能和效率，已顯示出了巨大的生(shēng)命力。MEMS技術的發展有可能會(huì)像微(wēi)電子一(yī)樣，對科學技術和人(rén)類生(shēng)活産生(shēng)革命性的影響，尤其對微(wēi)小衛星的發展影響更加深遠(yuǎn)，必将為大批量生(shēng)産低(dī)成本高可靠性的微(wēi)小衛星打開(kāi)大門。

來源：傳感器專家網 炜盛傳感

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