毕业设计指导山西大学本科论文MEMS传感器现状及应用MEMS传感器现状及应用摘要: MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。
首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。
其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS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MEMS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MEMS传感器的发展趋势进行了展望。
关键词: 微电子机械系统(MEMS);传感器;加速度计;陀螺仪;压力传感器Current Status and Applications of MEMS SensorsAbstract: MEMS sensors feature great varieties, rapid development and wide applications. Firstly,the categories and typical applications of MEMS sensors are introduced briefly. Then three typi-cal MEMS sensors, i. e. the pressure sensor, accelerometer and gyroscope are illustrated in de-tail,including the subdivision, current technical capability and performance index, latest researchprogress, products and their applications. Besides that, the research status of the MEMS pres-sure sensor using new materials for the extreme environment at home and abroad is presented.Finally, development trends of MEMS sensors are predicted in terms of new materials, proces-sing and assembling technology.Key words: microelectromechanical system(MEMS); sensor; accelerometer; gyroscope; pres-sure sensor目录目录引言 (1)1 MEMS传感器分类及典型应用 (1)1.1 MEMS传感器分类 (1)1.2 MEMS传感器应用 (1)1.2.1 微机械压力传感器 (1)1.2.2 微加速度传感器 (2)1.2.3微机械陀螺 (2)2 MEMS 传感器的发展 (2)2.1缓慢成长期 (2)2.2缓慢成长期 (2)2.3快速成长期 (3)3 MEMS传感器的发展趋势 (3)4总结 (3)参考文献 (3)引言MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。
与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于量化生产、易于集成和实现智能化的特点。
同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
第一个微型传感器诞生于1962 年，至此开启了MEMS 技术的先河[1]。
此后，MEMS 传感器作为MEMS 技术的重要分支发展速度最快，长期受到美、日、英、俄等世界大国的高度重视，各国纷纷将MEMS 传感器技术作为战略性技术领域之一，投入巨资进行专项研究。
随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展，传感器的微型、智能化、网络化和多功能化得到快速发展，MEMS 传感器逐步取代传统的机械传感器，占据传感器主导地位，并在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用[26]。
本文首先介绍了MEMS传感器的产品分类和典型应用。
其次,从最新产品及应用等方面详细阐述了MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪的研究现状。
最后,对MEMS传感器发展趋势进行了展望。
1 MEMS传感器分类及典型应用1.1 MEMS传感器分类MEMS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[7]。
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。
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, MEMS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。
制造技术的日益精进使MEMS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。
1.2 MEMS传感器应用1.2.1 微机械压力传感器微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。
从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。
从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。
MEMS压力传感器可用于汽车工业、生物医学及工业控制等领域。
汽车工业采用各种压力传感器测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力[8]、进气管道压力及轮胎压力[9]。
在生物和医学领域,压力传感器可用于诊断和检测系统以及颅内压力检测系统等。
在航天领域, MEMS压力传感器可用于宇宙飞船和航天飞行器的姿态控制、高速飞行器、喷气发动机、火箭、卫星等耐热腔体和表面各部分压力的测量。
1.2.2 微加速度传感器硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。
其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。
其中最具有吸引力的是力平衡加速度计，其典型产品是Kuehnel 等人在1994年报道的AGXL50型。
国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。
后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式，其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式，在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。
MEMS加速度计可用于消费电子产品,如Thinkpad笔记本电脑采用MEMS加速度计防止振动引起的硬盘损坏使信息丢失。
MEMS加速度计还可用于汽车的安全气囊系统、防滑系统、ABS系统、导系统和防盗系统。
MEMS加速度计在医疗保健、航空航天等方面也有用武之地,如计步器利用三轴MEMS传感器实现健身和健康监测功能。
1.2.3微机械陀螺角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。
传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。
MEMS陀螺仪相比传统的陀螺仪具有体积小、重量轻、可靠性高、功耗低、易于数字化和智能化等一系列优点。
MEMS陀螺仪已在航空、航天、航海、汽车、生物医学和环境监控等领域得到了应用。
MEMS 陀螺仪可为各种消费类电子产品,如手机、照/摄相机增值,增加图像稳定性、提供步行导航并改进用户界面。
MEMS陀螺仪的研究主要集中于汽车和导航级应用,在汽车工业中可用于GPS导航、汽车底盘控制系统和安全制动系统。
此外,微型低功率导航集成微陀螺可满足小型平台,包括微型无人机、水下无人潜航器和微型机器人进行无GPS导航的技术要求[10-12]。
2 MEMS 传感器的发展从现有文献[1318]中可看出，MEMS 技术虽然起始于20 世纪60 年代但在2000 年以前技术发展较为缓慢。
从上世纪末和本世纪初开始，随着第三次行业化浪潮的推动，MEMS 技术的相关专利数量快速增加，MEMS 传感器的发展亦是如此。
2.1缓慢成长期2000 －2006 年是MEMS 传感器缓慢发展的阶段，这一阶段MEMS 传感器主要的应用领域为汽车工业，其次在生物、化工等领域的应用也逐步增加。
力学传感器的专利数量最多，其次为热学传感器，磁学传感器位于第三，即这一时期MEMS 传感器主要的测量对象为加速度、压力、位移、温度、磁场等。
2.2缓慢成长期2007 －2010 年是MEMS 传感器技术的稳定发展期，每年的专利数量变化较小.力学传感器和热学传感器依然处于前两位，电学传感器和光学传感器超越磁学传感器，位于热学传感器之后，即这一时期MEMS 传感器的测量对象除加速度、压力、位移、温度外，还有电量、电流、电场、红外、激光等。
磁学传感器的专利数量较上一阶段有所减少。
2.3快速成长期在经过几年的平稳发展后，由于消费电子、航空航天、生物医疗市场对MEMS 传感器需求的不断扩大，物联网的兴起，汽车工业的持续需求，以及以中国为代表的新兴的研发地区快速崛起，MEMS传感器技术进入快速发展期，从2011 年开始专利数量出现明显上升，随后上升速度逐年增加。
3 MEMS传感器的发展趋势进入21世纪以来,在市场引导、科技推动、风险投资和政府介入等多重作用下, MEMS传感器技术发展迅速,新原理、新材料和新技术的研究不断深入, MEMS传感器的新产品不断涌现。
目前, MEMS传感器正向高精度、高可靠性、多功能集成化、智能化、微型化和微功耗方向发展。
MEMS 传感器一直是研究的热点和重点,是各国大力发展的核心和前沿技术,引起了各国研究机构、大学和公司的高度重视,欧美和日本等国显示出了明显的领先优势。
国内的一些高校和研究机构已着手MEMS传感器技术的开发和研究,但在灵敏度、可靠性及新技术能力提升方面与国外相比还存在较大差距。
许多MEMS传感器品种尚未具备批量生产的能力,离产品的实用化和产业化还很远,有待于进一步提高和完善。
4总结中国在MEMS 传感器领域的研究较晚，但目前已经成为不可或缺的力量，中国的部分专利权的创新主体协同格局前提下，加大政府科技资金投入不但可以消解技术创新发展中的资金阻滞，又有助于引导企业或单位技术创新意识，从而提高我国创新驱动效率，促进经济快速而稳健的发展。
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