MEMS傳感器

1、微機械壓力傳感器

微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術和犧牲層技術為基礎制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%～0.01%,年穩(wěn)定性達0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%,耐壓可達幾百兆帕,過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上,并能進行大范圍下的全溫補償?，F(xiàn)階段微機械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下幾個方面。

(1)將敏感元件與信號處理、校準、補償、微控制器等進行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。

(2)進一步提高壓力傳感器的靈敏度，實現(xiàn)低量程的微壓傳感器。

(3)提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。

(4)開發(fā)諧振式壓力傳感器。

2、微加速度傳感器

硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的微機械傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報道的AGXL50型。

國內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學微電子所開發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵、壓阻電橋檢測的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對稱的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個諧振梁用于信號檢測。

3、微機械陀螺

角速度一般是用陀螺儀來進行測量的。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)復雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導航方面，而難以在一般的運動控制系統(tǒng)中應用。實際上，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)、攝象機的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運動機械、計算機慣性鼠標、軍事等領域有廣泛的應用前景。常見的微機械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)、振動環(huán)結(jié)構(gòu)等。但是，實現(xiàn)的微機械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導航系統(tǒng)所需的0.1°/h相差尚遠。

4、微流量傳感器

微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達到很低的測量量級，而且死區(qū)容量小，響應時間短，適合于微流體的精密測量和控制。國內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導式和熱飛行時間式）、機械式和諧振式3種。清華大學精密儀器系設計的閥片式微流量傳感器通過閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測出流量信號。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線性度優(yōu)于5%。

5、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，因而要同時制作加熱元件和溫度探測元件，以監(jiān)測和控制溫度。MEMS技術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。

諧振式氣敏傳感器不需要對器件進行加熱，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。北京大學微電子所提出的1種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，由硅梁、激振元件、測振元件和氣體敏感膜組成。硅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NO₂氣體濃度的檢測實驗表明，在0×10～1×10的范圍內(nèi)有較好的線性，濃度檢測極限達到1×10，當工作頻率是19kHz時，靈敏度是1.3Hz/10。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的靈敏度。

6、微機械溫度傳感器

微機械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點，其固有熱容量僅為10J/K～10J/K，使其在溫度測量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢。開發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器?；诠韬投趸鑳煞N材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過位于梁根部的壓敏電橋來檢測。其非線性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重復性誤差為1.63%，精度為1.9%。

7、其他微機械傳感器

利用微機械加工技術還可以實現(xiàn)其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學的PeterE等人設計的諧振式流體密度傳感器，浙江大學研制的力平衡微機械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機械力敏傳感器等 。

中國在?MEMS?傳感器領域的研究較晚，但已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國的部分專利權(quán)的創(chuàng)新主體協(xié)同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術創(chuàng)新發(fā)展中的資金阻滯，又有助于引導企業(yè)或單位技術創(chuàng)新意識，從而提高我國創(chuàng)新驅(qū)動效率，促進經(jīng)濟快速而穩(wěn)健的發(fā)展 。

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1.應用于醫(yī)療

MEMS傳感器應用于無創(chuàng)胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數(shù)很難測量準確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護儀，價格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產(chǎn)生很大的不利作用。盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復性的檢查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無創(chuàng)胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

通過加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實現(xiàn)差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。

基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監(jiān)護系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號采集分析監(jiān)護主機給出自動分析結(jié)果，醫(yī)生對該結(jié)果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫(yī)院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。

2.應用在汽車電子

MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。車用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的形式。而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測質(zhì)量組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應來感測角速度。例如汽車在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道，通常，它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。

3.應用于運動追蹤系統(tǒng)

在運動員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結(jié)果分析，反復比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發(fā)展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。

在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數(shù)據(jù)外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

4.應用在手機拍照領域

在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現(xiàn)防抖(簡稱鏡頭防抖技術)，受到很大的局限。而另一個在市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，但由于這個技術體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上應用。

憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術MEMS Drive類似一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旋轉(zhuǎn)軸移動。MEMS Drive 的防抖技術是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動，依靠精密算法，計算出馬達應做的移動幅度并做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內(nèi)做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。

手機拍照帶給我們隨時隨地的便捷，但是面對復雜的環(huán)境、多樣的拍照場景，人手拍照有無法避免的抖動，像是走著跑著躺著拍照，或者把手伸長、手握自拍桿自拍，無論哪種抖動，憑借MEMS DRIVE馬達獨有的五軸防抖，和快速、精準控制的技術優(yōu)勢，都能呈現(xiàn)出更清晰更銳麗的圖片 。

1、MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測流量范圍廣，適用于各種需求的流量計測。

2、MEMS壓力傳感器：性能偏差小的MEMS壓力傳感器。

3、MEMS非接觸溫度傳感器：對靜止人體也能檢測，高靈敏度的人體感應傳感器。

4、MEMS開關：高頻，小型，長壽命的MEMS開關。

1.應用于汽車行業(yè)

MEMS壓力傳感器在汽車中的一個新應用是傳動系統(tǒng)壓力感測，通常用于自動裝置之中，但也用于新型雙離合器傳動系統(tǒng)。德國廠商推出了一款MEMS解決方案，使用油來保護硅薄膜，使其可以最高耐受70巴的壓力。博世幾年前也曾為MEMS壓力傳感器帶來巨大變化，當時使用的是多孔硅，帶來了高度可靠的MEMS器件，這些器件已用于目前的側(cè)面氣囊等應用之中。

2.應用于醫(yī)療市場

壓力傳感器主要充當外科手術使用的一次性低成本導管。但它們也用于昂貴的設備之中，在連續(xù)氣道正壓通氣（CPAC）機中感測壓力與差流。

3.應用于工業(yè)領域

MEMS壓力傳感器的主要應用包括采暖通風及空調(diào)（HVAC）、水平面測量、各種工業(yè)過程與控制應用。例如，除了精確的高度氣壓測量，飛機使用傳感器監(jiān)測引擎、襟翼等其它部件。 解讀詞條背后的知識

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