《mems传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《mems传感器（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、目 录引言第一章 MEMS技术概要1.1MEMS技术的发展1.2MMES技术发展的浪潮第二章 MEMS传感器分类及典型应用1.1MEMS加速度计1.1.1压阻式微加速度计1.1.2电容式微加速度计1.1.3压电式微加速度计1.2微压力传感器1.3MEMS陀螺1.4微气体传感1.5微温度传感器第三章 国内外MEMS传感器的标准化目前概况2.1 MEMS传感器标准化国内概况2.2 MEMS传感器标准化国外概况第四章 对我国MEMS传感器标准发展对策的几点建议3.1推出我国自主创新的MEMS传感器标准3.2加强标准化工作的国际合作3.3加强MEMS传感器标准化工作管理第五章 总结参考文献致 谢MEM
2、S传感器综述摘 要MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器,具有很多新的特性,相对传统传感器其具有更大的优势。MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。在追求微型化的当代,其具有良好的发展前景,必将受到各个国家越来越多的重视。首先,本文简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。论述了目前国内外MEMS传感器标准的现状,并就国内外MEMS传感器标准体系的发展过程、特点、标准体系存在的问题进行了分析探讨,同时,对我国MEMS传感器标准的发展对策提出了建议。关键词: MEMS传感器; 加速度计; 陀螺仪; 纳米技术; 微机构; 微传感器AbstractMEMS sensor is a
3、new type of sensor with the development of nanotechnology, with many new features, relative to the traditional sensor has a greater advantage. MEMS sensors a wide range of rapid development, widely used. In the pursuit of miniaturization of the contemporary, its good prospects for development, will
4、be subject to more and more attention in various countries. First of all, this paper briefly introduces the classification and typical application of MEMS sensors. This paper discusses the current situation of MEMS sensor standard at home and abroad, and analyzes the development process, characteris
5、tics and standard system of MEMS sensor standard system at home and abroad, and puts forward some suggestions on the development of MEMS sensor standard in China.Key word: MEMS sensor; accelerometer; gyroscope; nano technology; micro mechanism; micro sensor.iii山西大学引言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
6、的一个重要分支。 MEMS技术的进步和发展促进了传感器性能的提升。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,随着微电子技术、集成电路技术和加工工艺的发展,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。山西大学MEMS传感器综述第1章 MEMS技术概要1.1MEMS技术的发展1824年,硅的发现为微电子技术和MEMS技术的发展奠定
7、了材料基础。1954年,发现了压阻效应,为微型压力传感器的研制奠定了理论基础。1967年提出了表面牺牲层工艺技术,并在此基础上制备出了具有高谐振频率的悬臂梁结构。1970年,美国Kuliet公司展示了第一款硅基加速度计。1982年,德国提出一种以高深宽比结构为特色的L工GA工艺,用于制造微齿轮等卫星机械部件。1987年,MEMS作为一个正式的名字在美国诞生。2000年至今,MEMS高速发展,在声学MEMS、光学MEMS、生物眼Ms和能源眼Ms等需要领域出现了形形色色的微器件。1.2MMES技术发展的浪潮u 第一轮始于20世纪70年代末80年代初。1987年,美国加州大学发明了基于表面牺牲层技术
8、的微马达,引起国际学术界的轰动,MEMS进入新纪元。这一时期眼Ms产品主要为微型压力传感器。u 第二轮出现于20世纪90年代,主要围绕CP和信息技术的兴起。(1)1993年,美国AD公司将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊;(2)同年,美国IT公司的数字微镜装置研制成功,从此彻底改变投影仪等视频装置的成像方式;(3)该时期出现的深度反应粒子刻蚀(DRI)E技术以及围绕该技术发展的多种新型加工工艺极大地推动了MEMS技术的发展。u 第三轮出现在20世纪末,21世纪初。2002年,ADI的MEMS器件销售额超过1亿美元,但绝大部分仍来自汽车领域的安全气囊、导航、汽车报警和车辆动态控制系
9、统等。u 第四轮出现在2006年以后。(1)MEMS在汽车方面的应用继续推动市场,但其增长的真正驱动力转向手机、游戏系统和体育应用方面的消费品市场;(2)2006年,随着任天堂和索尼PS3等新一代游戏机开始采用MEMS加速度计,MEMS产业终于打破了过去10多年来依赖汽车应用的宿命。第二章 MEMS传感器分类及典型应用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1。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图1所示1。1
10、.1MEMS加速度计MEMS加速度计,顾名思义,是用来测量物体加速度的仪器,MEMS加速度计即微型加速度计,同传统加速度计相比,其具有体积更小、质量更小的特点。根据测量原理,可分为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。1.1.1压阻式微加速度计压阻效应:在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时,其电阻率产生变化的现象。工作原理:当外界有加速度输入时,由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用,悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变,并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变,由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变,进而压阻膜两端的电压值发生变化,从而可以通过实验得到一系列电压与作用的
11、惯性力的关系,而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关,从而便可以得到电压与加速度的关系,进而完成对加速度的测量。优点:（1）原理结构简单,传感器制作容易;（2）接口和内部电路容易实现。缺点:（1）对于温度的变化十分敏感,会影响测量精度;（2）灵敏度比较低,不便于测量微小的加速度变化2。1.1.2电容式微加速度计基本原理:由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关,因此距离的变化可以通过电容的变化来测量,由电容变化得到位移变化,再进行微分运算便可完成加速度的测量。工作原理:将质量块固连在基体上,并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连,另一个极板则与固定的基体固连3。当有加速度作用时,
12、质量块发生位移,上下电容发生变化,可以得到电容变化差值,进而得到加速度。优点:（1）灵敏度和测量精度高;（2）稳定性好; （3）温度漂移小; （4）功耗极低。缺点：（1）读出电路复杂;（2）易受寄生电容影响和电磁干扰。1.1.3压电式微加速度计压电效应:一些电介质在受到外界的作用而发生形变时,在电介质的内部会发生极化,与此同时,在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷,当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,当作用在电介质表面的力的方向发生改变,则极化出的电荷的极性也会发生改变,这种现象称为压电效应。工作原理:在弹性梁上覆盖一层压电材料膜,当有外界加速度作用于质量块时,在惯性力
13、的作用下,弹性梁会因受到外力而产生变形,由于压电效应原理知,器件结构的上电极和下电极间会产生电压,由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式,得到加速度的变化,进而完成对加速度的测量。优点:（1）结构比较简单;（2）容易测量。缺点:（1）很难测量常加速度;（2）温度系数较大;（3）器件的线性度不够好。1.2微压力传感器MEMS传感器的发展在近几年达到了的高峰期,追其根源,则可以追溯到20世纪60年代,首个硅隔膜压力传感器和应变计的发明打开了微传感器发展的大门,随后出现了各种各样的微传感器,但各种微传感器的发展并没有影响微压力传感器的地位,直到目前为止,微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广
14、泛影响最为深远的微传感器。根据不同的分类方式,MEMS压力传感器可分为压阻式电容式和谐振式等,同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。微压力传感器在航空航天、车辆、控制等多种领域内都有广泛的应用。在对车辆进行安全性检测时,需要知道车辆一些部位的压力情况,以此来确保汽车处于安全工作状态,此时便可利用微压力传感器体积小等特点,测量到一些利用传统压力传感器难以测量的部位的压力,使车辆的安全系数更高4。航空航天器在飞行的过程中,由于外界环境条件十分复杂,飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响,因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测,防止其超出材料所能承受的极限,同时在飞行器的发动机内部,不同的压力
15、条件下发动机的工作性能会产生很大的不同,在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作,因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要,利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。1.3MEMS陀螺在飞机飞行的过程中,需要对飞机的俯仰、偏航、滚转三个自由度进行测量,不光需要测量加速度,还需要测量角速度。加速度可以使用加速度计进行测量,而角速度的测量一般是利用陀螺仪来进行测量的5。目前使用的陀螺仪利用高速转动的物体具有定轴性,当具有角度偏转时,可以测量出偏转的角度,进行微分计算则可以得到角速度。现在在飞机上使用的陀螺仪由于外部条件的要求,其精度十分高,但高精度带来的代价就是结构复杂、寿命短,使其使用成本大幅增加。因此,目前为止,这种陀螺仪也仅仅使用在需要高精度的导航方面。实际上,角速度传感器可在生活军事等各个领域都有广泛的应用。近年来,随着微机械加工技术的不断发展与进步,制造精度的不断提高,制造可批量生产、精度较高的微型陀螺己经成为可能。但是尽管己经有各种新型的微陀螺诞生,但尤于其还
