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有关MEMS传感器的研究摘要：本文从三个方面逐次展开叙述，由MEMS技术到MEMS传感器，再由MEMS传感器到MEMS加速度传感器，重点谈谈了MEMS传感器的分类，以及MEMS加速度传感器几种类型的结构和原理，它们的运用领域较为的广泛，但技术和工艺上面还有很多限制，需要进一步的发展。关键词：MEMS，MEMS传感器，MEMS加速度传感器前言近几十年以来，微机械加工技术得到了快速发展，这种利用在集成电路工业中发展起来的材料和加工技术在硅和其他相关材料表面上加工微小结构的技术，不仅能用于电子器件，还能用于其他功能器件。制备微型固态传感器是微机械加工技术的一个重要研究领域，在此方向上，MEMS技术主要研究扩展可用材料的种类、加工方法，提高器件的加工精度和复杂性以及增加与集成电路的相容性。在日本和美国等发达国家，传感器仍然是MEMS技术近期最主要的应用领域[1]，本文重点谈谈对MEMS传感器的认识，首先介绍MEMS技术。MEMS技术MEMS 的概念源自1959 年美国著名物理学家费曼关于“微机械”的设想。1962 年第一个硅微压力传感器问世，1988 年首台硅微静电马达诞生，这在全世界引起轰动。此后，MEMS 得到了高速发展[2]。现在对MEMS的定义即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造、具有特定功能的微型装置，包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等，微电子机械系统通常指的是特征尺度小于1μm大于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。由于MEMS结构尺寸微小，多学科交叉、多能量域系统，基于微加工技术制造这几点就说明它在技术更新中会遇到很多问题，比方说微观尺度，设计难度大;系统复杂，集成难度大;材料特殊，制造难度大;种类繁多，封装难度大[2].但这些依然阻止不了MEMS的运用，MEMS 技术正开辟着一个全新的领域和产业，轻巧、灵敏的各种MEMS 器件已广泛应用于仪器测量、信息、汽车电子、航空航天、国防军事、生物医学和环保等领域。将多种学科交叉融合并且具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。MEMS传感器MEMS 传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器, 是MEMS 器件的一个重要分支。作为MEMS 最重要的组成部分, MEMS 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MEMS 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, MEMS 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。MEMS 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[3]。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[4]。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下图1,图2，图3所示。 图1 MEMS物理传感器[3] 图2 MEMS化学传感器[3] 图3 MEMS生物传感器[3]由于MEMS传感器具有体积小、响应快、灵敏度高、成本低等特点，目前,以微压力、微温度、微速度、微加速度、微流量、微离子敏、微气敏传感器等的研究和应用较多,部分类型的传感器如微型压电传感器与加速度传感器等已实现大规模生产。“高分辨率、高灵敏度、高数据密度及与其他元器件的高度集成”是微型传感器发展的方向[5]。下文对MEMS加速传感器进行简单介绍。MEMS加速度传感器它是最早利用MEMS 技术开发成功,并取得广泛应用的微型传感器之一。微加速度传感器的主要工作方式有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式,现在又出现了微机械热对流式加速度传感器。图4和图5分别给出了新型微机械热加速度传感器作用原理和结构示意图。在悬臂梁的端部有一扩散加热电阻,加热电阻通电后所产生的热量全部沿梁和上下两个散热板传递。向上下两个散热板传导热量的速率取决于加热电阻与散热板间的距离,沿悬臂梁的温度分布曲线由悬臂梁与散热板间的相对位置来确定。可以通过分布在悬臂梁上的P型硅/铝热电偶对悬臂梁温度的测量来测定悬臂梁与两个散热板的相对位置,从而实现对加速度的测量[6]。图4 微机械热加速度传感器作用原理 图5 微机械热加速度传感器结构这种传感