MEMS传感器现状及应用王淑华(中国电子科技集团公司第十三研究所,石家庄 050051)摘要:M EM S传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。
首先,简单介绍了M EMS传感器的分类和典型应用。
其次,对M EMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的M EM S传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。
介绍MEM S压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。
最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEM S传感器的发展趋势进行了展望。
关键词:微电子机械系统(M EMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器中图分类号:TH703 文献标识码:A 文章编号:1671-4776(2011)08-0516-07Current Status and Applications of MEMS SensorsWang Shuhua(The13th Research I nstitute,CET C,S hi jiazhuang050051,China)A bstract:MEMS senso rs feature g reat varieties,rapid development and w ide applications.Firstly, the catego ries and ty pical applicatio ns of M EMS senso rs are introduced briefly.Then three typi-cal M EMS sensors,i.e.the pressure sensor,acceleromete r and gy ro sco pe are illustrated in de-tail,including the subdivision,current technical capability and perfo rmance index,latest research pro gress,products and their applications.Besides that,the research status of the M EM S pres-sure senso r using new m aterials for the extreme enviro nment at ho me and abro ad is presented. Finally,developm ent trends of M EMS sensors are predicted in te rm s o f new materials,pro ces-sing and assembling technolog y.Key words:microelectromechanical sy stem(M EMS);sensor;accelerome ter;gy roscope;pres-sure senso rD OI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.008 EEACC:25750 引 言MEM S传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是M EMS器件的一个重要分支。
1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEM S技术的先河,M EMS技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。
作为M EMS最重要的组成部分,M EMS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M EMS传感器技术作为战略性的研究领域之一,纷纷制定发展计划并投入巨资进行专项研究。
随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,MEM S传感器凭借体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成以及耐恶劣工收稿日期:2011-04-06E-mail:1117sh uhua@作环境等优势,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。
M EMS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。
本文首先介绍了M EMS传感器的产品分类和典型应用。
其次,从类别、工艺技术、性能指标、新型材料、最新产品及应用等方面详细阐述了MEM S压力传感器、加速度计和陀螺仪的研究现状。
最后,对MEM S传感器发展趋势进行了展望。
1 M EM S传感器分类及典型应用M EMS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。
M E M S传感器M EM S物理传感器M EM S力学传感器M EM S加速度计M EM S角速度计(陀螺仪)M EM S惯性测量组合M EM S压力传感器M EM S流量传感器M EM S位移传感器M EM S电学传感器M EM S电场传感器M EM S电场强度传感器M EM S电流传感器M EM S磁学传感器M EM S磁通传感器M EM S磁场强度传感器M EM S热学传感器M EM S温度传感器M EM S热流传感器M EM S热导率传感器M EM S光学传感器M EM S红外传感器M EM S可见光传感器M EM S激光传感器M EM S声学传感器M EM S噪声传感器M EM S声表面波传感器M EM S超声波传感器M EM E化学传感器M EM S气体传感器可燃性气体传感器毒性气体传感器大气污染气体传感器汽车用传感器M EM S湿度传感器M EM S离子传感器M EM S pH传感器M EM S离子浓度传感器M EM S生物传感器M EM S生理量传感M EM S生物浓度传感器M EM S触觉传感器M EM S生化量传感图1 M EM S传感器的分类Fig.1 C lassification of M EM S sensors 王淑华:M EM S传感器现状及应用 其中每种M EMS传感器又有多种细分方法。
如微加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计;按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式;按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式;按控制方式划分,有开环和闭环式。
MEMS传感器不仅种类繁多,而且用途广泛。
作为获取信息的关键器件,MEM S传感器对各种传感装备的微型化发展起着巨大的推动作用,已在太空卫星、运载火箭,航空航天设备、飞机、各种车辆、生物医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。
M EMS传感器的典型应用如表1所示。
表1 M EMS传感器的典型应用T able1 T ypical applications of M EM S senso rs应用领域产品或系统所用M EM S 传感器示例消费电子手机、数码相机、音乐播放器和笔记本电脑等加速度计和陀螺仪及惯性测量组合(IM U)等汽车工业汽车的安全系统、制动防抱死系统(ABS)、发动机系统和动力系统等压力传感器、加速度计、微陀螺仪、化学传感器、气体传感器和指纹识别传感器等航空航天、空间应用微型惯性导航系统、空间姿态测定系统、动力和推进系统、控制和监视系统和微型卫星等加速度计、陀螺仪、压力传感器、惯性测量组合(IM U)、微型太阳和地球传感器、磁强计和化学传感器等生物医疗保健临床化验系统、诊断和健康检测系统、灵巧药丸输送系统、心脏起搏器和计步器等生物传感器、压力传感器、集成加速度传感器和微流体传感器等机器人飞行类机器人的姿态控制系统加速度计、陀螺仪和惯性测量组合等传感网基于M EM S的环境监测系统等压力、湿度、温度、生物、腐蚀、气体和气体流速等多种传感器 制造技术的日益精进使M EMS传感器的参数指标和性能不断提高,与多种学科的交叉融合又使传感器不断推陈出新,应用领域不断拓宽。
2 M EM S压力传感器M EMS传感器的发展以20世纪60年代霍尼韦尔研究中心和贝尔实验室研制出首个硅隔膜压力传感器和应变计为开端。
压力传感器是影响最为深远且应用最广泛的M EM S传感器,其性能由测量范围、测量精度、非线性和工作温度决定。
从信号检测方式划分,M EMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等;从敏感膜结构划分,可分为圆形、方形、矩形和E形等。
硅压力传感器主要是硅扩散型压阻式压力传感器,其工艺成熟,尺寸较小,且性能优异,性价比较高。
2010年12月,意法半导体公司采用创新的M EMS制造技术开发出压阻式MEM S压力传感器LPS001WP。
LPS001WP通过覆盖在气腔上的柔性硅薄膜检测压力变化,该薄膜包括电阻值随着外部压力改变的微型压电电阻器,压力检测量程为3×104～1.1×105Pa,可检测到最小6.5Pa的气压变化[2]。
2009年3月举行的慕尼黑上海电子展上,爱普科斯公司推出了业界封装较小的用于测量大气压力的压阻式M EMS传感器T5000/ABS1200E,尺寸仅为1.7mm×1.7m m×0.9m m,可用于便携式电子产品测量气压和海拔高度[3]。
极端环境下的压力测量是石化生产、航空航天和汽车电子等领域必须突破和掌握的基础科学技术之一。
恶劣环境通常包括热侵蚀,主要指高温环境;机械侵蚀,主要指高负载、振动和冲击等;化学侵蚀,主要指有腐蚀媒介的环境等。
硅压阻式压力传感器受p-n结耐温限制,超过120℃时,传感器的性能会严重退化甚至失效;在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏,远不能满足航空航天和石油化工等领域高温环境下的压力测量。
为满足对极端环境下压力测量的迫切要求,国内外开展了恶劣环境用压力传感器的研究。
各研究机构的研究材料各不相同,其中SiC材料、SOI材料、金刚石和光纤等新型压力传感器已成为国内外研究的重点。
美国Kulite传感器公司采用6H-SiC材料制作了压阻式压力传感器,可工作于600℃的高温,输入电压为5V[4]。
该公司还采用BESOI技术开发出超高温压力传感器XTEH-10LAC-190(M) 王淑华:M EM S传感器现状及应用 系列,工作温度为-55～482℃[5]。
M.R.Werner 等人[6]研制的金刚石膜压力传感器样件,可在300℃环境下工作。
Y.H ezarjaribi等人[7]于2009年采用SiC材料制作出了一种接触式MEM S电容式压力传感器,其膜片的直径为150～360μm,板间的间隙深度为0.5～6μm,当压力为0.05～10M Pa时该传感器具有良好的线性度。