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MEMS传感器技术
蒋庄德
(精密工程学院,机械工程学院
西安交通大学,西安,中国)
MEMS技术及其应用
自1992年以来,作者带领研究小组在西安交通大学研究和开发接缝机械系统(MEMS)传感器,包括压力传感器、加速度传感器、气体传感器、粘度和密度传感器,聚合酶链反应(PCR)芯片和集成传感器等。本文介绍了MEMS传感器相关技术和研究成果,我们在过去的20年里实现。
关键词:微机电系统（MEMS）;传感器;芯片
第一章 绪论
微机电系统(MEMS)传感器精密工程研究所的研究。西安交通大学的财政状况由国家基础研究项目支持。中国(“973”计划),国家自然科学基金(国家自然科学基金委),高科技研究和中国发展计划(“863”计划),长江学者项目及创新研究团队在大学、111项目等。MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS 研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片（SoC），它让智能型产品得以开发，并得以进入很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。
微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。通常，MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。
1.1.1微机电系统（MEMS）的尺寸
在微小尺寸范围内，机械依其特徵尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米-1毫米的微型机械以及1纳米-1微米的机械。
所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构，微型感测器，微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统。
- MEMS压力传感器
2.1 微机电系统（MEMS）器件
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。目前，压阻式压力传感器的精度可达 0.05％～0.01％,年稳定性达0.1％/F.S,温度误差为0.0002％,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿[1]。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下方面。
将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器。提高工作温度，研制高低温压力传感器，开发谐振式压力传感器。
微机械谐振式压力传感器除了具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出，抗干扰能力强，分辨力和测量精度高的优点。硅微谐振式传感器的激励/检测方式有电磁激励/ 电磁拾振、静电激励/电容拾振、逆压电激励/压电拾振、电热激励/压敏电阻拾振和光热激励/光信号拾振。其中，电热激励/压敏电阻拾振的微谐振式压力传感器价格低廉，与工业IC技术兼容，可将敏感元件与信号调理电路集成在1块芯片上，具有诱人的应用前景。
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，其结构包括4个部分：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集成制作在3mmtimes;3mm的硅片上，其中机械部分采用表面微机械工艺制作，电路部分采用BiCMOSIC技术制作。
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。这种陀螺仪的精度很高，但它的结构复杂，使用寿命短，成本高，一般仅用于导航方面，而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上，如果不是受成本限制，角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。4．微流量传感器。
微流量传感器不仅外形尺寸小，能达到很低的测量量级，而且死区容量小，响应时间短，适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力，再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号[4]。该传感器的芯片尺寸为3.5mmtimes;3.5mm,在10ml～200ml/min的气体流量下,线性度优于5％。
4．微气体传感器
根据制作材料的不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关，因而要同时制作加热元件和温度探测元件，以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起，保证气体传感器优良性能的发挥。
- 微机械温度传感器
微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特点，其固有热容量仅为10－8J/K～10－15J/K，使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。我所开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异，不同温度下梁的挠度不同，其形变可通过位于梁根部的压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9％，迟滞误差为0.45％，重复性误差为1.63％，精度为1.9％。
6．其他微机械传感器
利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器，例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器，浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器等。
2.2 微机电系统（MEMS）的具体应用领域
MEMS可以广泛地应用于国防、工业、航空航天、生物、医学等行业，具体应用领域有：生物医学领域： 在此领域内已开发出对细胞进行操作的许多微机械，如微物件的操作台、微夹钳等，还可利用植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、诊断和手术等操作。
流体控制领域： 利用微型阀、微型泵进行流量元素分析、微流量测量和控制。
资讯仪器领域： 利用扫描隧道显微镜STM可将1M bit的资讯储存在1平方微米的晶片上。另外，微磁头、微打印头可以完成信息的输入、输出及传输工作。
航空航天领域：利用微型传感器和微型仪器，监测石油输送情况。微型卫星和小卫星在此领域也完成了许多情报搜集工作。
微机器人：微机器人是微系统最典型的应用。在许多特殊场合，比如在人难以接近或不能接近的空间中，可以用微机器人来完成人的工作，如狭小空间中的机器人。
美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10％。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米times;2厘米times;0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。
第三章MEMS加速度传感器
近年来，MEMS技术得到了迅速发展，将其应用于非制冷红外探测器有了比较成功的例子，为现有单元器件小型化和高密度阵列集成开辟了一条新的途径。
红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产[5]。随着MEMS技术的应用，出现了微机械红外热电堆探测器。K．D．Wise等人，最先利用MEMS技术于20世纪80年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。
热释电探测器的工作原理为热电晶体的热释电效应。由于热释电探测器的性能随着热量的下降而降低，所以良好的热绝缘结构是制作高性能热释电探测器的关键。最早采用的绝缘技术，是把热释电红外探测器或阵列通过可塑性金属(如In)台面与Si信号处理电路对接，但In的热绝缘性能很差，不利于制作高性能的大面积集成热释电红外焦平面阵列。现在多采用MEMS技术制作桥式结构或者悬浮的膜式结构来改善感应单元的热乡这样当红外光照射时，每个感应单元可以获得一个相对大的温度升高值，相应地提高了探测器的灵敏度。
总结
微机电系统（MEMS）是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，微机电系统是一个独立的智能系统。
本文主要研究的是MEMS技术的具体实现以及其在非制冷红外探测器中的应用。介绍了该技术的特点、相关产品以及具体应用实例的原理。总结全文的内容，有以下结论.MEMS器件体积小、重量轻、耗能低，便于集成，批量生产可大大降低生产成本。
MEMS的应用领域十分广泛，包括信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。MEMS已有成功应用实例，具有相当不错的开发前景。MEMS已在我们今天常生活中的各种应用中扎下根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小，从而能够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方并非一片光明。一项挑战是封装问题，因为MEMS器件的多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试，很容易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下，研究出标准化和更廉价的封装已成为MEMS设计的主要关注目标。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研发力量，试图加强自己在封装制程中的地位，为各种新设备开发新的专用封装。
参考文献
[1] 丁衡高．微型机电系统研究文集. 北京：清华大学出版社，2000．
[2] 郝永平，刘凤丽，刘世明．MEMS设计模拟与仿真系统应用 [M]．北京：国防工业出版社，2007.1:27~40．
[3] 严利人．微电子制造技术概论[M]．北京：清华大学出版社，2010.3:87~90．
[4] 孙以材，庞冬青． 全文共4852字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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