MEMS傳感器(qì)是在微電子(zǐ)技術基礎上(shàng)發展起來(lái)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(wèi)世界矚目的重大科技領域之一(yī)。它涉及電子(zǐ)、機械、材料、物理(lǐ)學、化(huà)學、生(shēng)物學、醫(yī)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(fēn)類

1、傳感

傳感MEMS技術是指用微電子(zǐ)微機械加工出來(lái)的、用敏感元件如(rú)電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉換電信号的器(qì)件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體(tǐ)、磁、光、聲、生(shēng)物、化(huà)學等各種傳感器(qì)，按種類分(fēn)主要有:面陣觸覺傳感器(qì)、諧振力敏感傳感器(qì)、微型加速度傳感器(qì)、真空微電子(zǐ)傳感器(qì)等。傳感器(qì)的發展方向是陣列化(huà)、集成化(huà)、智能(néng)化(huà)。由于傳感器(qì)是人(rén)類探索自然界的觸角，是各種自動化(huà)裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來(lái)将備受世界各國的重視(shì)。

2、生(shēng)物

生(shēng)物MEMS技術是用MEMS技術制造的化(huà)學/生(shēng)物微型分(fēn)析和檢測芯片或儀器(qì)，有一(yī)種在襯底上(shàng)制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理(lǐ)器(qì)、混合池、計量、增擴器(qì)、反應器(qì)、分(fēn)離器(qì)以及檢測器(qì)等元器(qì)件并集成為(wèi)多功能(néng)芯片。可以實現(xiàn)樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分(fēn)離、檢測和後處理(lǐ)等分(fēn)析全過程。它把傳統的分(fēn)析實驗室功能(néng)微縮在一(yī)個(gè)芯片上(shàng)。生(shēng)物MEMS系統具有微型化(huà)、集成化(huà)、智能(néng)化(huà)、成本低(dī)的特點。功能(néng)上(shàng)有獲取信息量大、分(fēn)析效率高、系統與外部連接少、實時(shí)通信、連續檢測的特點。國際上(shàng)生(shēng)物MEMS的研究已成為(wèi)熱點，不久将為(wèi)生(shēng)物、化(huà)學分(fēn)析系統帶來(lái)一(yī)場(chǎng)重大的革新(xīn)。

3、光學

随着信息技術、光通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一(yī)領域是與光學相結合，即綜合微電子(zǐ)、微機械、光電子(zǐ)技術等基礎技術，開發新(xīn)型光器(qì)件，稱為(wèi)微光機電系統(MOEMS)。它能(néng)把各種MEMS結構件與微光學器(qì)件、光波導器(qì)件、半導體(tǐ)激光器(qì)件、光電檢測器(qì)件等完整地集成在一(yī)起。形成一(yī)種全新(xīn)的功能(néng)系統。MOEMS具有體(tǐ)積小、成本低(dī)、可批量生(shēng)産、可精确驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個(gè)方面:一(yī)是基于MOEMS的新(xīn)型顯示、投影設備，主要研究如(rú)何通過反射面的物理(lǐ)運動來(lái)進行光的空間(jiān)調制，典型代表為(wèi)數字微鏡陣列芯片和光栅光閥；二是通信系統，主要研究通過微鏡的物理(lǐ)運動來(lái)控制光路(lù)發生(shēng)預期的改變，較成功的有光開關(guān)調制器(qì)、光濾波器(qì)及複用器(qì)等光通信器(qì)件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新(xīn)技術，開展這(zhè)個(gè)領域的科學技術研究，可以帶動大量的新(xīn)概念的功能(néng)器(qì)件開發。

4、射頻

射頻MEMS技術傳統上(shàng)分(fēn)為(wèi)固定的和可動的兩類。固定的MEMS器(qì)件包括本體(tǐ)微機械加工傳輸線、濾波器(qì)和耦合器(qì)，可動的MEMS器(qì)件包括開關(guān)、調諧器(qì)和可變電容。按技術層面又分(fēn)為(wèi)由微機械開關(guān)、可變電容器(qì)和電感諧振器(qì)組成的基本器(qì)件層面；由移相器(qì)、濾波器(qì)和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

二

MEMS傳感器(qì)的主要應用領域有哪些(xiē)？

1、醫(yī)療

MEMS傳感器(qì)應用于無創胎心檢測，檢測胎兒(ér)心率是一(yī)項技術性很強的工作(zuò)，由于胎兒(ér)心率很快(kuài)，在每分(fēn)鍾l20～160次之間(jiān)，用傳統的聽(tīng)診器(qì)甚至隻有放(fàng)大作(zuò)用的超聲多普勒儀，用人(rén)工計數很難測量準确。而具有數字顯示功能(néng)的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為(wèi)少數大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村(cūn)地區無法普及。此外，超聲振動波作(zuò)用于胎兒(ér)，會對胎兒(ér)産生(shēng)很大的不利作(zuò)用。盡管檢測劑量很低(dī)，也(yě)屬于有損探測範疇，不适于經常性、重複性的檢查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度傳感器(qì)，提出一(yī)種無創胎心檢測方法，研制出一(yī)種簡單易學、直觀準确的介于胎心聽(tīng)診器(qì)和多普勒胎兒(ér)監護儀之間(jiān)的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器(qì)。通過加速度傳感器(qì)将胎兒(ér)心率轉換成模拟電壓信号，經前置放(fàng)大用的儀器(qì)放(fàng)大器(qì)實現(xiàn)差值放(fàng)大。然後進行濾波等一(yī)系列中間(jiān)信号處理(lǐ)，用A/D轉換器(qì)将模拟電壓信号轉換成數字信号。通過光隔離器(qì)件輸入到單片機進行分(fēn)析處理(lǐ)，最後輸出處理(lǐ)結果。

基于MEMS加速度傳感器(qì)設計的胎兒(ér)心率檢測儀在适當改進後能(néng)夠以此為(wèi)終端，做一(yī)個(gè)遠(yuǎn)程胎心監護系統。醫(yī)院端的中央信号采集分(fēn)析監護主機給出自動分(fēn)析結果，醫(yī)生(shēng)對該結果進行診斷，如(rú)果有問題及時(shí)通知孕婦到醫(yī)院來(lái)。該技術有利于孕婦随時(shí)檢查胎兒(ér)的狀況，有利于胎兒(ér)和孕婦的健康。

2、汽車

MEMS壓力傳感器(qì)主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這(zhè)種傳感器(qì)用單晶矽作(zuò)材料，以采用MEMS技術在材料中間(jiān)制作(zuò)成力敏膜片，然後在膜片上(shàng)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(lù)，來(lái)獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器(qì)有電容式、壓阻式、差動變壓器(qì)式、聲表面波式等幾種常見的形式。

而MEMS加速度計的原理(lǐ)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，通過微矽質量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等，除了(le)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産品。

微陀螺儀是一(yī)種角速率傳感器(qì)，主要用于汽車導航的GPS信号補償和汽車底盤控制系統，主要有振動式、轉子(zǐ)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(shí)産生(shēng)的哥氏效應來(lái)感測角速度。例如(rú)汽車在轉彎時(shí)，系統通過陀螺儀測量角速度來(lái)指示方向盤的轉動是否到位，主動在内側或者外側車輪上(shàng)加上(shàng)适當的制動以防止汽車脫離車道，通常，它與低(dī)加速度計一(yī)起構成主動控制系統。

3、運動追蹤

在運動員(yuán)的日常訓練中，MEMS傳感器(qì)可以用來(lái)進行3D人(rén)體(tǐ)運動測量，對每一(yī)個(gè)動作(zuò)進行記錄，教練們對結果分(fēn)析，反複比較，以便提高運動員(yuán)的成績。随着MEMS技術的進一(yī)步發展，MEMS傳感器(qì)的價格也(yě)會随着降低(dī)，這(zhè)在大衆健身(shēn)房(fáng)中也(yě)可以廣泛應用。

在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器(qì)、加速度傳感器(qì)、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精确的觀察能(néng)力，除了(le)可提供滑雪闆的移動數據外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也(yě)是如(rú)此，安裝在沖浪闆上(shàng)的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時(shí)間(jiān)、漿闆距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

4、手機拍照

在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機攝像頭主要由音(yīn)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(yī)個(gè)在市(shì)場(chǎng)上(shàng)較高端的防抖技術：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(qì)(Image Sensor)補償抖動，但(dàn)由于這(zhè)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(shàng)應用。

憑着微機電在體(tǐ)積和功耗上(shàng)的突破，最新(xīn)技術MEMS Drive類似一(yī)張貼在圖像傳感器(qì)背面的平面馬達，帶動圖像傳感器(qì)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過程中的瞬間(jiān)抖動，依靠精密算(suàn)法，計算(suàn)出馬達應做的移動幅度并做出快(kuài)速補償。這(zhè)一(yī)系列動作(zuò)都要在百分(fēn)之一(yī)秒(miǎo)内做完，你得到的圖像才不會因為(wèi)抖動模糊掉。

目前，全世界有大約600餘家單位從事(shì)MEMS的研制和生(shēng)産工作(zuò)，已研制出包括微型壓力傳感器(qì)、加速度傳感器(qì)、微噴墨打印頭、數字微鏡顯示器(qì)在内的幾百種産品，其中MEMS傳感器(qì)占相當大的比例。MEMS傳感器(qì)是采用微電子(zǐ)和微機械加工技術制造出來(lái)的新(xīn)型傳感器(qì)。與傳統的傳感器(qì)相比，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)生(shēng)産、易于集成和實現(xiàn)智能(néng)化(huà)的特點。同時(shí)，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些(xiē)傳統機械傳感器(qì)所不能(néng)實現(xiàn)的功能(néng)。

随着時(shí)間(jiān)的推移和技術的逐步發展，MEMS所包含的内容正在不斷增加，并變得更加豐富。MEMS内容歸納為(wèi)集成傳感器(qì)、微執行器(qì)和微系統。人(rén)們還把微機械、微結構、靈巧傳感器(qì)和智能(néng)傳感器(qì)歸入MEMS範疇。制作(zuò)MEMS的技術包括微電子(zǐ)技術和微加工技術兩大部分(fēn)。微電子(zǐ)技術的主要内容有:氧化(huà)層生(shēng)長、光刻掩膜制作(zuò)、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子(zǐ)注入)、薄膜(層)生(shēng)長、連線制作(zuò)等。

微加工技術的主要内容有矽表面微加工和矽體(tǐ)微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作(zuò)高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子(zǐ)技術可制造集成電路(lù)和許多傳感器(qì)。微加工技術很适合于制作(zuò)某些(xiē)壓力傳感器(qì)、加速度傳感器(qì)、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器(qì)、微機械等，這(zhè)就(jiù)能(néng)充分(fēn)發揮微電子(zǐ)技術的優勢，利用MEMS技術大批量、低(dī)成本地制造高可靠性的微小衛星。

MEMS技術主要屬于微米技術範疇，MEMS技術大都基于現(xiàn)有技術，用由大到小的技術途徑制作(zuò)出來(lái)的，發展了(le)一(yī)批新(xīn)的集成器(qì)件，大大提高了(le)器(qì)件的功能(néng)和效率，已顯示出了(le)巨大的生(shēng)命力。MEMS技術的發展有可能(néng)會像微電子(zǐ)一(yī)樣，對科學技術和人(rén)類生(shēng)活産生(shēng)革命性的影響，尤其對微小衛星的發展影響更加深遠(yuǎn)，必将為(wèi)大批量生(shēng)産低(dī)成本高可靠性的微小衛星打開大門。

來(lái)源：傳感器(qì)專家網 炜盛傳感

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