MEMS傳感器分類(lèi)

1、MEMS氣體流量傳感器：高精度，檢測(cè)流量范圍廣，適用于各種需求的流量計(jì)測(cè)。

2、MEMS壓力傳感器：性能偏差小的MEMS壓力傳感器。

3、MEMS非接觸溫度傳感器：對(duì)靜止人體也能檢測(cè)，高靈敏度的人體感應(yīng)傳感器。

4、MEMS開(kāi)關(guān)：高頻，小型，長(zhǎng)壽命的MEMS開(kāi)關(guān)。

1、微機(jī)械壓力傳感器

微機(jī)械壓力傳感器是最早開(kāi)始研制的微機(jī)械產(chǎn)品，也是微機(jī)械技術(shù)中最成熟、最早開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類(lèi)，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來(lái)看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。壓阻式壓力傳感器的精度可達(dá)0.05%～0.01%,年穩(wěn)定性達(dá)0.1%/F.S，溫度誤差為0.0002%,耐壓可達(dá)幾百兆帕,過(guò)壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上,并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償。現(xiàn)階段微機(jī)械壓力傳感器的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。

(1)將敏感元件與信號(hào)處理、校準(zhǔn)、補(bǔ)償、微控制器等進(jìn)行單片集成，研制智能化的壓力傳感器。

(2)進(jìn)一步提高壓力傳感器的靈敏度，實(shí)現(xiàn)低量程的微壓傳感器。

(3)提高工作溫度，研制高低溫壓力傳感器。

(4)開(kāi)發(fā)諧振式壓力傳感器。

2、微加速度傳感器

硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的微機(jī)械傳感器。其主要類(lèi)型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)，其典型產(chǎn)品是Kuehnel等人在1994年報(bào)道的AGXL50型。

國(guó)內(nèi)在微加速度傳感器的研制方面也作了大量的工作，如西安電子科技大學(xué)研制的壓阻式微加速度傳感器和清華大學(xué)微電子所開(kāi)發(fā)的諧振式微加速度傳感器。后者采用電阻熱激勵(lì)、壓阻電橋檢測(cè)的方式，其敏感結(jié)構(gòu)為高度對(duì)稱(chēng)的4角支撐質(zhì)量塊形式，在質(zhì)量塊4邊與支撐框架之間制作了4個(gè)諧振梁用于信號(hào)檢測(cè)。

3、微機(jī)械陀螺

角速度一般是用陀螺儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來(lái)測(cè)量角速度的。這種陀螺儀的精度很高，但它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用壽命短，成本高，一般僅用于導(dǎo)航方面，而難以在一般的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用。實(shí)際上，如果不是受成本限制，角速度傳感器可在諸如汽車(chē)牽引控制系統(tǒng)、攝象機(jī)的穩(wěn)定系統(tǒng)、醫(yī)用儀器、軍事儀器、運(yùn)動(dòng)機(jī)械、計(jì)算機(jī)慣性鼠標(biāo)、軍事等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。常見(jiàn)的微機(jī)械角速度傳感器有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)，懸臂梁結(jié)構(gòu)、音叉結(jié)構(gòu)、振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)等。但是，實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械陀螺的精度還不到10°/h，離慣性導(dǎo)航系統(tǒng)所需的0.1°/h相差尚遠(yuǎn)。

4、微流量傳感器

微流量傳感器不僅外形尺寸小，能達(dá)到很低的測(cè)量量級(jí)，而且死區(qū)容量小，響應(yīng)時(shí)間短，適合于微流體的精密測(cè)量和控制。國(guó)內(nèi)外研究的微流量傳感器依據(jù)工作原理可分為熱式（包括熱傳導(dǎo)式和熱飛行時(shí)間式）、機(jī)械式和諧振式3種。清華大學(xué)精密儀器系設(shè)計(jì)的閥片式微流量傳感器通過(guò)閥片將流量轉(zhuǎn)換為梁表面彎曲應(yīng)力，再由集成在閥片上的壓敏電橋檢測(cè)出流量信號(hào)。該傳感器的芯片尺寸為3.5mm×3.5mm，在10ml～200ml/min的氣體流量下，線(xiàn)性度優(yōu)于5%。

5、微氣體傳感器

根據(jù)制作材料的不同，微氣敏傳感器分為硅基氣敏傳感器和硅微氣敏傳感器。其中前者以硅為襯底，敏感層為非硅材料，是當(dāng)前微氣敏傳感器的主流。微氣體傳感器可滿(mǎn)足人們對(duì)氣敏傳感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如許多氣敏傳感器的敏感性能和工作溫度密切相關(guān)，因而要同時(shí)制作加熱元件和溫度探測(cè)元件，以監(jiān)測(cè)和控制溫度。MEMS技術(shù)很容易將氣敏元件和溫度探測(cè)元件制作在一起，保證氣體傳感器優(yōu)良性能的發(fā)揮。

諧振式氣敏傳感器不需要對(duì)器件進(jìn)行加熱，且輸出信號(hào)為頻率量，是硅微氣敏傳感器發(fā)展的重要方向之一。北京大學(xué)微電子所提出的1種微結(jié)構(gòu)氣體傳感器，由硅梁、激振元件、測(cè)振元件和氣體敏感膜組成。硅梁被置于被測(cè)氣體中后，表面的敏感膜吸附氣體分子而使梁的質(zhì)量增加，使梁的諧振頻率減小。這樣通過(guò)測(cè)量硅梁的諧振頻率可得到氣體的濃度值。對(duì)NO₂氣體濃度的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，在0×10～1×10的范圍內(nèi)有較好的線(xiàn)性，濃度檢測(cè)極限達(dá)到1×10，當(dāng)工作頻率是19kHz時(shí)，靈敏度是1.3Hz/10。德國(guó)的M.Maute等人在SiNx懸臂梁表面涂敷聚合物PDMS來(lái)檢測(cè)己烷氣體，得到－0.099Hz/10的靈敏度。

6、微機(jī)械溫度傳感器

微機(jī)械傳感器與傳統(tǒng)的傳感器相比，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，其固有熱容量?jī)H為10J/K～10J/K，使其在溫度測(cè)量方面具有傳統(tǒng)溫度傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)了1種硅/二氧化硅雙層微懸臂梁溫度傳感器。基于硅和二氧化硅兩種材料熱膨脹系數(shù)的差異，不同溫度下梁的撓度不同，其形變可通過(guò)位于梁根部的壓敏電橋來(lái)檢測(cè)。其非線(xiàn)性誤差為0.9%，遲滯誤差為0.45%，重復(fù)性誤差為1.63%，精度為1.9%。

7、其他微機(jī)械傳感器

利用微機(jī)械加工技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)其他多種傳感器，例如瑞士Chalmers大學(xué)的PeterE等人設(shè)計(jì)的諧振式流體密度傳感器，浙江大學(xué)研制的力平衡微機(jī)械真空傳感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微機(jī)械力敏傳感器等 。

1.應(yīng)用于醫(yī)療

MEMS傳感器應(yīng)用于無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)，檢測(cè)胎兒心率是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽(tīng)診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計(jì)數(shù)很難測(cè)量準(zhǔn)確。而具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護(hù)儀，價(jià)格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無(wú)法普及。此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì)對(duì)胎兒產(chǎn)生很大的不利作用。盡管檢測(cè)劑量很低，也屬于有損探測(cè)范疇，不適于經(jīng)常性、重復(fù)性的檢查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無(wú)創(chuàng)胎心檢測(cè)方法，研制出一種簡(jiǎn)單易學(xué)、直觀準(zhǔn)確的介于胎心聽(tīng)診器和多普勒胎兒監(jiān)護(hù)儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。

通過(guò)加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現(xiàn)差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號(hào)處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。通過(guò)光隔離器件輸入到單片機(jī)進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。

基于MEMS加速度傳感器設(shè)計(jì)的胎兒心率檢測(cè)儀在適當(dāng)改進(jìn)后能夠以此為終端，做一個(gè)遠(yuǎn)程胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號(hào)采集分析監(jiān)護(hù)主機(jī)給出自動(dòng)分析結(jié)果，醫(yī)生對(duì)該結(jié)果進(jìn)行診斷，如果有問(wèn)題及時(shí)通知孕婦到醫(yī)院來(lái)。該技術(shù)有利于孕婦隨時(shí)檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。

2.應(yīng)用在汽車(chē)電子

MEMS壓力傳感器主要應(yīng)用在測(cè)量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度。車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。而MEMS加速度計(jì)的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測(cè)質(zhì)量組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計(jì)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(jì)具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點(diǎn)，是MEMS微加速度計(jì)中的主流產(chǎn)品。微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)，主要有振動(dòng)式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動(dòng)陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來(lái)感測(cè)角速度。例如汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀測(cè)量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車(chē)輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道，通常，它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。

3.應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)

在運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練中，MEMS傳感器可以用來(lái)進(jìn)行3D人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量，對(duì)每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行記錄，教練們對(duì)結(jié)果分析，反復(fù)比較，以便提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，MEMS傳感器的價(jià)格也會(huì)隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應(yīng)用。

在滑雪方面，3D運(yùn)動(dòng)追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動(dòng)數(shù)據(jù)外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運(yùn)動(dòng)追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時(shí)間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。

4.應(yīng)用在手機(jī)拍照領(lǐng)域

在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機(jī)攝像頭主要由音圈馬達(dá)移動(dòng)鏡頭組的方式實(shí)現(xiàn)防抖(簡(jiǎn)稱(chēng)鏡頭防抖技術(shù))，受到很大的局限。而另一個(gè)在市場(chǎng)上較高端的防抖技術(shù)：多軸防抖，則是利用移動(dòng)圖像傳感器(Image Sensor)補(bǔ)償抖動(dòng)，但由于這個(gè)技術(shù)體積龐大、耗電量超出手機(jī)載荷，一直無(wú)法在手機(jī)上應(yīng)用。

憑著微機(jī)電在體積和功耗上的突破，最新技術(shù)MEMS Drive類(lèi)似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達(dá)，帶動(dòng)圖像傳感器在三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)。MEMS Drive 的防抖技術(shù)是透過(guò)陀螺儀感知拍照過(guò)程中的瞬間抖動(dòng)，依靠精密算法，計(jì)算出馬達(dá)應(yīng)做的移動(dòng)幅度并做出快速補(bǔ)償。這一系列動(dòng)作都要在百分之一秒內(nèi)做完，你得到的圖像才不會(huì)因?yàn)槎秳?dòng)模糊掉。

手機(jī)拍照帶給我們隨時(shí)隨地的便捷，但是面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境、多樣的拍照?qǐng)鼍?，人手拍照有無(wú)法避免的抖動(dòng)，像是走著跑著躺著拍照，或者把手伸長(zhǎng)、手握自拍桿自拍，無(wú)論哪種抖動(dòng)，憑借MEMS DRIVE馬達(dá)獨(dú)有的五軸防抖，和快速、精準(zhǔn)控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，都能呈現(xiàn)出更清晰更銳麗的圖片 。

中國(guó)在?MEMS?傳感器領(lǐng)域的研究較晚，但已經(jīng)成為不可或缺的力量，中國(guó)的部分專(zhuān)利權(quán)的創(chuàng)新主體協(xié)同格局前提下，加大政府科技資金投入不但可以消解技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展中的資金阻滯，又有助于引導(dǎo)企業(yè)或單位技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)，從而提高我國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)快速而穩(wěn)健的發(fā)展 。

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1.應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)

MEMS壓力傳感器在汽車(chē)中的一個(gè)新應(yīng)用是傳動(dòng)系統(tǒng)壓力感測(cè)，通常用于自動(dòng)裝置之中，但也用于新型雙離合器傳動(dòng)系統(tǒng)。德國(guó)廠(chǎng)商推出了一款MEMS解決方案，使用油來(lái)保護(hù)硅薄膜，使其可以最高耐受70巴的壓力。博世幾年前也曾為MEMS壓力傳感器帶來(lái)巨大變化，當(dāng)時(shí)使用的是多孔硅，帶來(lái)了高度可靠的MEMS器件，這些器件已用于目前的側(cè)面氣囊等應(yīng)用之中。

2.應(yīng)用于醫(yī)療市場(chǎng)

壓力傳感器主要充當(dāng)外科手術(shù)使用的一次性低成本導(dǎo)管。但它們也用于昂貴的設(shè)備之中，在連續(xù)氣道正壓通氣（CPAC）機(jī)中感測(cè)壓力與差流。

3.應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域

MEMS壓力傳感器的主要應(yīng)用包括采暖通風(fēng)及空調(diào)（HVAC）、水平面測(cè)量、各種工業(yè)過(guò)程與控制應(yīng)用。例如，除了精確的高度氣壓測(cè)量，飛機(jī)使用傳感器監(jiān)測(cè)引擎、襟翼等其它部件。 解讀詞條背后的知識(shí)

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    2020-09-300
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