MEMS传感器及其应用

MEMS传感器及其应用徐敏敏池明敏黄夏静 滕风辉 张晓雯 王春柱余莉莉 周彦祺一 黄饪葭- 黄道目录1引言2. MEMS的发唇历史、3. 什么是MEMS传感器4. MEMS传感器的特点5. MEMS传感器的研究内容6. MEMS在各个领域的应用7. MEMS相关公司介绍8. MEMS的封装MEMS的发展历史MEMS第轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用人型 蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压 力下变形，会影响其表面的压敞电阻曲线，这种变化可以把压力转换 感电借号二后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽 军安峑气囊和走位陀螺仪。第二轮商业化岀现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的 兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打 卬头现在仍然大行其道。及相关器件第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关器件浪鍋谿輻f泸鶴谥飜癇现在养条但微光学目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、 医疗、，测试仪资箸新领壤旷张。推动第四轮商业化的其它应用包括一 费卿爲幣114蟲瓠撤細擁厨傭蜒綸态以 和移动器件。引言传感器种类多样，因此根据用途、原理都- 有特定的分类。例如霍尔传感器、温度传 咸器、压力传感器等等。而传感技耒在址 年来也得到了长足的发展，MEMS就是最 具代表性的例子，MEMS技术让我们能够在 有限的空间内最大限度地发挥传感器的功 能，广泛用于多种场合。那么什么是MEMS呢?什么是MEMS传感器?微机电系统(MicToelectTomechanicalSystems, MEMS)是将微电子技术与机械 工程融合到一起的一种工业技术，它的操 作范围在微米范围内。比它更小的，在纳 米范围的类似的技术被称为纳机电系统。歹; MEMS-X微机电系统)是指集微型传感器、 ,执行器以及信号处理和控制电路、接口电 路、通信和电源于一体的微型机电系统。MEMS特点微型化智能化多功能高集成度-适于大批量生产MEMS研究内容 MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集 成化来探索具有新原理、新功能的元件和 系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉 的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工 程科学的所有领域，如电子技术、机械技 术、物理学、化学、生物医学、材料科学、 能源科学等。其研究内容一般可以归纳为 以下三个基本方面： MEMS理论基础-在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本 的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的 影响(Scaling Effects),许多物理现象与宏观世 界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发 生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、 微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流 体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构 学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重 视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基 础研究。二、MEMS技术基础 MEMS的技术基础可以分为以下几个方面:（1）设计与仿真技术； T）勺哉与对川仁孤!1切!1试技术;5J5（5）集成与系统技术等三、MEMS应用研究-人们不仅要开发各种制造MEMS的技术，更重要 的是如何将MEMS技术与航空航天、信息通信、 生物化学、医疗、自动控制、消费电子以及兵器 等应用领域相结合，制作出符合各领域要求的微 传感器、微执行器、微结构等MEMS器件与系统。 MEMS还用于大量声波双工器二二一、厂 (BulkAcousticWaveduplexer)与滤波器、麦克风、 MEMS自动聚焦致动器、压力感测器、MEMS微 微型投影仪，甚至MEMS陀螺仪。MEMS压力传感器原理目前的MEMS压力传感器有硅压阻 莪压另传感器和硅电容我压另传感 器，两者都是在硅片上生成的微机 曲彳专感器。恵斯顿电桥电路图4惠斯顿电桥电原理图形的应力硅薄膜 某一种光刻版本雀压阻式压力传感器是采用高 精密半导体电阻应变片组成惠斯顿 电桥作为力电变换测量电路的，具 有较高的测量精度、较低的功耗， 极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式 传感器，如无压力变化，其输出为 零，几乎不耗电。其电原理如图1 所示。硅压阻式压力传感器其应变 片电桥的光刻版本如图2。2应变扛电桥的光刻版MEMS压力传感器MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如 TPMS （轮胎压力监测系统）、发动机机油压力传 感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动 机进气歧管压力传感器（TMAP）、柴油机共轨 压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用 秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、 烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、 洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工 业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料 称重等。典型的MEMS压力传感器.IN.NW典型的MEMS压力和电原逗典型的MEMS压力传感器管芯(die)结构和电原理如 图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿 电桥，右是管芯卤部结构图。典型的MEMSBE力桜感鞭管 芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。 MEMS压力传感器管芯可以与仪表放犬器和ADC管芯封装 圭一人封装内(MCM)，使产品设计师很容易使用这个 咼度集成的产品设计最终产品。在军事中的应用作为一个在海上应用的实例,MEMS引信/保险和引爆F/SA 装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆 装置的工作包括3个独立步骤、:发射鱼雷后懈除炸药保险、 引爆引信无止在木正确时向险O台。感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。分布式战场微在空中应用方面；MEMS压力传感器已在F-14战斗机弹射座 的助推火箭上进彳亍了测试。喷射式涡轮发动机使用的适于 在恶劣环境下工作的材料，被用于各种监视该类发动机内部 动另学”寺性的传感器上。生物医疗和生物医学方面的应用微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微 型传感器用口服或皮下注射法送入人体，就可对体内的五脏 六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体， 询刮去导致心脏病的油脂沉积物，除去体内的胆固醇，万餘测 和清除人体内的癌细胞，进行视网膜开刀时，大夫可将遥控机 器人放入眼球内，在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、 肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很 小的器官和组织和智能能自动地进行细微精确的操作的特 点，巾大大提高介入治疗的精度，直接进入相应病变地进行工 作，降低手术风险。同时，可进行基因分析和遗传诊断，利用 微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿 和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所 以，微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大，为人类最后征 服各种绝症延长寿命带来了希望。游戏机游戏机是运动跟踪和手势识别应用的突出 代表，以具有革命性的任天堂Wii游戏机为 例，微型运动传感器能够捕捉到玩家任何 细微的动作，并将其转化成游戏动作。MEMS技术让玩家动起来，玩家陶醉于真实 的游戏体验，通过不同的动作融入到游戏 中。例如，模仿一场真实的网球赛、一场 引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛 或轻松的钓鱼比赛的动作等（图3）。冬|3： MEMS使玩家动起来图4： MEMS运动控制式用户界而MEMS加速计 MEMS技术在手机和PDA中的使用率正在提 高，目前市场上采用MEM加速计的手机越 来越多。手机中的MEMS加速计使人机界面 变得更简单、更直观，通过手的动作就可 以操作界面功能，全面增强了用户的使用 体验。:基于MEMS的钱性加遼计、卩基于MEMS的线性加速计MEMS加速计-根据终端设备的指向，MEMS传感器可以把图像、 三视频和网页（无论是人物肖像还是风景画面）进行 旋转。通过上下左右倾斜手机，还可以查看手机 菜单；只要轻轻击打手机机身，就可以在屏幕上 选中不同的图标，所有这些智能功能离不开新一 代MEMS器件内嵌的先进数字技术。有了MEMS加速计，只要把设备向某一方向倾斜, 就能在小屏幕上详细查看地图，显示放大的图像。 MEMS还能检测到用户抖动手机和MP3播放器的 动作，这个简单的手势可以让播放器跳到下一首 歌或返回到上一首歌。低功耗的MEMS运动传感器还可用作先进的节能技术，当 手机没有关闭放在饭桌上时，MEMS传感器将会把耗电大 的模块（如显示器背光板和GPS模块）全部关闭，以降低手 二机和便携导航仪的能耗。只要碰触一下机身，又可以打开 全部功能。同样地，无论何时，把手机正面向下反放在桌子上，手机 设置就会切换到静音模式；只要碰触一下机身，就可以关 闭静音功能。MEMS运动控制技术折射出了未来手机的样 子：只有数量很少的按键，不再有普通的键盘。向手机输 入信息时，用户在空中书写数字和字母，MEMS传感器识 别这些动作，手机软件将这些动作还原成数字和字母；软 件还可以把用户预定的动作变成特殊的自定义功能。 MEMS加速计与陀螺仪配合使用，可以把更先进的选择功能变为现实，例如：能够在空中操作的 三维鼠标和遥控器。在这些设备中，传感器检测 到用户的手势，将其转换成PC屏幕上的光标移动 或机顶盒和电视机的频道和功能选择。图5是一个 含有MEMS传感器的遥控器解决方案，MEMS传 感器组、两个陀螺仪和一个加速计检测手腕或鼠 标在空中的动作，同时微控制器执行动作跟踪和 手势识别功能。然后，重组的运动曲线通过无线 连接发送到机顶盒或PC机，无线链路可以采用红 外或寸频，具彳未视血用要求市定。图7在汽车领域，MEMS被用于导航和信息娱乐设备中-MEMS陀螺仪陀螺仪能够测量沿r个轴或几个轴运动的 角速度，是补充MEMS加速计功能的理想技 术。事实上，如果组合使用加速计和陀螺 仪这两种传感器,系统设计人员就可以跟 踪并捕捉二维空间的気整运动，为最终用 户提供现场感更强的用户使用体验、精确 的导航系统以及其它功能。陀螺仪-在系统方面，陀螺仪的信号调节电路可简化为电 三机驱动部分和加速传感器感应电路两部分:* -电机驱动部分通过静电驱动方法，使机械元 件前后振荡，产生谐振； -感应部分通过测量电容变化来测量科里奥利 力在感应质点上产生的位移，这是一个稳健、可 靠的技术，被成功地用于ST的MEMS产品线,能 够提供强度与施加在佳感器上的角速率成正比的 模拟或数字信号。iPhone目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重 力加速计和陀螺仪的功能，例如被用在 iPhone中。通过对旋转时运动的感知， iPhone可以自动地改变横竖屏显示，以便消 费者能够以合适的水平和垂直视角看到完 整的页面或者数字图片。 iPhone4到底用上了哪些传感器呢？iPhone4中的传感器 1）影像传感器 简单说就是相机镜头，由于只牵涉到微光学与微电了，汶有机械 成份在里头，即便加入马达、机械驱动的镜头，这类的机械零件 也过大，不到微的地步，所以此属于光电半导体，属于光 学、 光电传感舉。 2）亮度传感器外界并不清楚iPhone4用何种方式感应环境光亮度，而最简单的实现方式 是用一个光敏电阻，或者，iPhone4直接用影像传感器充当亮度侦测，也 是可行。无论如此，此亦不带机權成份，属于光电类传感器，甚至可能 不是微型的，只是一般光学、光尬传感器。 3）磁阻传感器至是隸爲翳黠喘盘勰备鷺。 一-E|地磁的磁疝传感简单讲就是感测地磁，这样将这神地磁感应电子化、A老实说，数字指南针技术比较偏玩具性，因为用来感测p叫wy心 器，很容易受坏境影响（如高压电塔旁、马达旁），必须时时校正才有 4）近接传感器近接传感器的实现技术非常多种，可以是红外线（例如便利商店 的且功门、公共厕莎的自动迎水器2 ，可纠是幫青波、嚴射擊 同痒血 Apple没讲，我们只能乱猜或尽可能阖刼，不圧 近挟传 感器也没祇I切微型化的需要，不在热门MEMS组件之列。 5）声波传感器学名声波传感器，俗名麦克风。是的，iPhonc4为了强化声音质量, 使用2组麦克风与相关运算来达到降噪 巒低噪音）的效果，这种 技术称为薮组麦克风（ArrayMIC）,事丈上早在$）ple实行之前， 2004年Wint引就已经在PC上提出过，差别是Apple甬于手机， Wintel 用于 PC。麦克风需要像型化吗？是的，需要，相当需要，且使用一个以上 的麦克风，菱克风的体积缩小需求就更迫切，麦克风也牵涉到机 械会僅徹学机械振幼），并将gL械振动弦瘗成电了信号， 因此微型化府姜盍风，是个不折个知Mjmems榜感器。 6）加速度传感器俗称加速规、G-Sensor,町以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器 的实现方式也是许多种，MEMS只是手法之一，用MEMS实现加速度传感 器确实是冃前的趋势。加速度传感器一般有X、Y两轴与X、Y、Z三轴两种，两轴多用 于车、船等平面移动为多，三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多 说，Wii遥控器也是用三轴，iPhone对以感应实体翻转而自动对应翻转画 面，也是靠这个传感器。7）角加速度传感器觀罷變驟灘霭緇手1r pg也从善如流匚心多半是更简单讲就是陀螺仪,陀螺仪实现技术有机械式与光学（红外线、雷射） 式，第六项的加速度传感器比较能感测平移性，但对于物体有个轴心， 进行角度性的移动，则其感应效果不如陀螺仪好，所以许多.I1 /r I I I .1. ./ t. V n n i./ r4.1, r I / .说了这么多，真的称得上MEMS传感器的，其实只有麦克风、加速度 勰辭驟斷蛊潦他的传辭多是夸大延伸不是不用微型化MEMS的公司从全球看，MEMS产品是由一些美国和亚洲 公司开发的，包括意法半导体（ST）、og Devices公司（ADI）、惠普公司（HP）、 德州仪器公司（TI）,以及Memsic公司。下文将介绍各个制造商及其主要MEMS产品 的现况。意法半导体公司意法半导休公司是最大的MEMS制造商之一，提供单轴和多轴陀螺仪的广泛选择，各种满量程区间，适用于数位相 机和数位录像机的影像稳定，以及提高戏应用中的用户体 验。ST公司还提供3轴陀螺仪，能精确地测量沿三个正交 轴的角速度。另外，STM还用下一代微电机声学器件扩展 了自己的产品组合。创新的MEMS麦克风采用了Omron的健壮性，同时对现有/新兴音频应用都有很好的成本效益，传感器技术，能够大幅地提高声音质量，有出色的可靠性、如手机、无线设备以及手持戏机等。关键是，MEMS麦克 风可以做得比最小的驻焚体电容式麦克风(electrets 一 condenser microphone)还要小，而对度变化、机械振动和 电磁干扰更不敏感。ADI公司 ADI公司同时提供类比与数位型的全向MEMS麦克风。最近，ADI与英飞凌科技公 司商定共同发展下一代的汽车气囊安全系 统。这个ADI-英飞凌合作计划将确保两家 公司相应产品发展蓝图的协调一致，以及 各自传感器与芯片组的互通性。这个合作 也将加速晃应气囊系统的发展，为安全索 统供应商和OEM商提供一个完整的设计平 台，从而实现一种可靠、具成本效益和易 手彳吏用白勺先建气囊方案。惠普公司惠普公司最近推岀一种惯性探j目技术(inertial sensing technology), 能够用来开发可当作高阶传感器使用的数位MEMS加速度计。HP预计该技术将使芯片的灵敏度比今天市场上的批量产品提高1000倍。这种传感器是以该公司已率先商业应用在其打 印机墨盒的MEMS技术为基础。MEMS的封装显然地，MEMS已在我们今天常生活中的各种应用中扎下 根墓。其普及的主要动力亲自于成本低兮体穎小，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。当前长足的进步与工程进展让我们对 MEMS或SoC有更新的理解。对设计工程师而言，这确实 是富于挑战且令人兴奋的时代！MEMS传感器的封装封装曾是MEMS技术的难点。传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封 装和塑料封装三种形式。随着MEMS封装技 术取得了很大进展，出现了众多的MEMS封 妾技采，大多数研究都桑中在特殊应用的 不同封装工艺，但又开发了一些较通用、 较完善的封装设计，通常可将其分为3个封 装层次：芯片级封装、圆片级封装、系统 级封装。从传感器的应用来说，有些MEMS器件的封装必须能够和 环境进行相互影响。例如，在 压阻传感器内，封装应力就会 影响传感器的输出。当封装中 不同材料混合使用时，它们的 膨胀和收缩系数不同，因此， 这些变化引起的应力就附加在 传感器的压力值中。在光学MEMS器件中，由于冲击、震 动或热膨胀等原因而产生的封 装应力会使光器件和光纤之间 的对准发生偏移。在高精度加 速度计和陀螺仪中，封装需要 和MEMS芯片隔离以优化性能 （见下图）。结束语当前,MEMS技术正处于高速发展前夕，21 世纪会展现一个大发展的局面，它的广泛应 用和效益将强有力地显示岀来，它对信息、 航空、航天、自动控制、医学、生物学、 力学、热学、光学、近代物理和工程学等 诸领域发展的影响将是深远的，人类的生产 和生活方式也会因此而发生重大改变