MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用

黃崇威

【摘 要】隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了MEMS傳感器，其具有較多新特點(diǎn)和性能，因此發(fā)展前景廣闊，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)領(lǐng)域。此次研究分析了MEMS傳感器的現(xiàn)狀發(fā)展，之后詳細(xì)探討了MEMS傳感器的實(shí)際應(yīng)用問題，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】MEMS傳感器；現(xiàn)狀發(fā)展；實(shí)際應(yīng)用

MEMS傳感器屬于微機(jī)械加工制作領(lǐng)域所應(yīng)用的新型傳感器，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展不斷促進(jìn)了傳感器性能的發(fā)展。MEMS中MEMS傳感器屬于重要組成部分，其體積小，功耗低，并且具有較高的靈敏度和可靠性，因此能夠廣泛應(yīng)用在各行業(yè)領(lǐng)域。MEMS傳感器的出現(xiàn)標(biāo)志著傳感器逐漸進(jìn)入智能化，微型化和多功能化，已經(jīng)全面取代了傳統(tǒng)傳感器技術(shù)。

一、MEMS傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

在18世紀(jì)20年代，硅的發(fā)現(xiàn)逐漸為電子技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。隨著技術(shù)研究力度不斷加大，部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)了壓阻效應(yīng)，能夠?yàn)槲⑿蛪毫鞲衅鞯难芯亢椭圃焯峁├碚摶A(chǔ)。在上世紀(jì)六十年代左右，有學(xué)者提出了表面犧牲層工藝技術(shù)，并且研制出高諧振頻率的懸臂梁結(jié)構(gòu)，在發(fā)展到七十年代時(shí)美國企業(yè)研制出首款硅基加速度計(jì)。直到八十年代才開始將該項(xiàng)技術(shù)命名為MEMS，并且出現(xiàn)了較多新型MEMS微器件，例如光學(xué)MEMS和聲學(xué)MEMS等。

二、MEMS傳感器的實(shí)際應(yīng)用

（一）MEMS加速度計(jì)

該加速度計(jì)主要是對物體加速度進(jìn)行測量。相比于傳統(tǒng)加速度計(jì)來說，MEMS加速度計(jì)的體積比較小，質(zhì)量較輕。按照測量原理可以將MEMS加速度計(jì)分為壓電式微加速度計(jì)，電容式加速度計(jì)和壓阻式加速度計(jì)。

第一，壓阻式微加速度計(jì)：該加速度計(jì)主要是將壓力施加到半導(dǎo)體軸向上改變電阻率。其工作原理為輸入加速度之后，由理論力學(xué)原理能夠得知質(zhì)量塊受到慣性力，在其慣性力作用下會(huì)導(dǎo)致懸臂梁出現(xiàn)形變，相應(yīng)改變與之聯(lián)合的壓阻膜。之后利用壓阻效應(yīng)能夠得知壓阻膜電阻值出現(xiàn)變化，進(jìn)一步改變壓阻膜兩端電壓值，此時(shí)就能夠通過實(shí)驗(yàn)獲取電壓與慣性力之間的關(guān)系。由于慣性力與輸入的加速度員，此時(shí)能夠進(jìn)一步了解電壓與加速度之間的關(guān)系，測量加速度。

該加速度計(jì)的優(yōu)勢在于原理結(jié)構(gòu)比較簡單，在制作傳感器時(shí)難度較小，較容易實(shí)現(xiàn)內(nèi)部電路和接口電路。但是其也存在較多弊端，例如對溫度的敏感性比較高，會(huì)對測量效果造成影響。在實(shí)際應(yīng)用期間靈敏度較低，無法對微小加速度進(jìn)行測量，并且會(huì)出現(xiàn)明顯的遲滯和蠕變情況。

第二，電容式微加速度計(jì)：由于電容與兩極板之間的變化存在關(guān)聯(lián)性，所以可以通過電容變化情況測量距離變化，通過電容變化能夠得知位移變化情況，之后進(jìn)行微分計(jì)算可以測量加速度。該加速度計(jì)的工作原理在于將基塊與質(zhì)量塊連接，之后將電容式加速度計(jì)電容板極與運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊進(jìn)行連接，另外一側(cè)與基塊連接，當(dāng)出現(xiàn)加速度之后質(zhì)量塊會(huì)出現(xiàn)位移情況，改變上下電容，此時(shí)就能夠得到電容差值，明確加速度值。

該加速度計(jì)的優(yōu)勢在具有較高的測量精度和靈敏度及穩(wěn)定性，：不會(huì)出現(xiàn)較大的溫度漂移情況，減少功耗，可以實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。然而其也存在弊端，例如讀出電路比較復(fù)雜，容易受到電磁和寄生電容影響。

第三，壓口式微加速度計(jì)：某些電介質(zhì)在受到外力影響之后會(huì)出現(xiàn)變形情況，導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象。此極化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)表面產(chǎn)生正負(fù)相反電荷。在去除外力之后可以恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。如果此時(shí)改變電介質(zhì)表面作用力方向，則會(huì)改變極化電荷的極性，此種現(xiàn)象就被稱為壓電效應(yīng)。此加速度計(jì)的工作原理是將壓電材料膜覆蓋在彈性梁上，若來自外界的加速度作用質(zhì)量塊上，慣性力作用下會(huì)使彈性梁出現(xiàn)變形情況。從壓電效應(yīng)可以看出，器件上下電極間會(huì)產(chǎn)生電壓，在對電壓變化情況進(jìn)行測量能夠明確數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化模型，確定加速度變化情況。該加速度計(jì)的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，可以簡化測量步驟。但是也存在較多弊端，例如無法對常加速度進(jìn)行測量，器件線性度較差且具有較大的溫度系數(shù)。

（二）微壓力傳感器

該種傳感器主要應(yīng)用在汽車，航天領(lǐng)域。在檢測汽車安全性時(shí)首先需要明確汽車部位的壓力，這樣能夠?qū)ζ嚢踩\(yùn)作情況進(jìn)行判斷。由于微壓力傳感器的體積比較小，因此可以應(yīng)用在傳統(tǒng)傳感器無法測量的細(xì)小部位，全面提升汽車的安全系數(shù)。航天器在飛行期間外界環(huán)境因素較為復(fù)雜，導(dǎo)致飛行器外部受到較多荷載影響，所以需要實(shí)時(shí)監(jiān)測飛行器外表面壓力，避免壓力大于材料最大承受力。在不同壓力條件下會(huì)使飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部性能存在較大差異性，在極端條件下壓力不穩(wěn)定會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要密切監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的壓力問題。

（三）MEMS陀螺

飛機(jī)飛行期間需要測量其俯仰，偏航以及滾轉(zhuǎn)等自由度，此時(shí)不僅需要測量加速度，還需要測量角速度。在測量加速度時(shí)可以利用加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)，在測量角速度時(shí)則需要屬于陀螺儀完成?，F(xiàn)階段所應(yīng)用的陀螺儀通過高速轉(zhuǎn)動(dòng)物體的定軸性對偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測量，之后利用微分計(jì)算就能夠得到角速度。

三、結(jié)束語

綜上所述，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，微機(jī)械制造技術(shù)不斷成熟，大量傳感器逐漸發(fā)展為微型化。應(yīng)用MEMS技術(shù)所制造的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，集成化以及批量生產(chǎn)優(yōu)勢，正是因?yàn)槠渚邆漭^多優(yōu)勢特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各行業(yè)領(lǐng)域，充分發(fā)揮出MEMS技術(shù)價(jià)值。

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