【導(dǎo)讀】MEMS傳感器是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。以下將詳細(xì)介紹MEMS傳感器的主要分類和應(yīng)用領(lǐng)域。
經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
一、MEMS傳感器的主要分類
1、傳感
傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來(lái)的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學(xué)等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)將備受世界各國(guó)的重視。
2、生物
生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測(cè)芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅(qū)動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò)、樣品處理器、混合池、計(jì)量、增擴(kuò)器、反應(yīng)器、分離器以及檢測(cè)器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現(xiàn)樣品的進(jìn)樣、稀釋、加試劑、混合、增擴(kuò)、反應(yīng)、分離、檢測(cè)和后處理等分析全過(guò)程。它把傳統(tǒng)的分析實(shí)驗(yàn)室功能微縮在一個(gè)芯片上。生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點(diǎn)。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實(shí)時(shí)通信、連續(xù)檢測(cè)的特點(diǎn)。國(guó)際上生物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)重大的革新。
3、光學(xué)
隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結(jié)合，即綜合微電子、微機(jī)械、光電子技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)新型光器件，稱為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)。它能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學(xué)器件、光波導(dǎo)器件、半導(dǎo)體激光器件、光電檢測(cè)器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統(tǒng)。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動(dòng)和控制等特點(diǎn)。較成功的應(yīng)用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面:一是基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，主要研究如何通過(guò)反射面的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥；二是通信系統(tǒng)，主要研究通過(guò)微鏡的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)控制光路發(fā)生預(yù)期的改變，較成功的有光開關(guān)調(diào)制器、光濾波器及復(fù)用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強(qiáng)的高新技術(shù)，開展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開發(fā)。
4、射頻
射頻MEMS技術(shù)傳統(tǒng)上分為固定的和可動(dòng)的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機(jī)械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動(dòng)的MEMS器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。按技術(shù)層面又分為由微機(jī)械開關(guān)、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機(jī)、變波束雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)天線組成的應(yīng)用系統(tǒng)層面。
二、MEMS傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域有哪些？
1、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、汽車
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)，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(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，主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車底盤控制系統(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)指示方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車脫離車道，通常，它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。
3、運(yùn)動(dòng)追蹤
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、手機(jī)拍照
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。
目前，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中MEMS傳感器占相當(dāng)大的比例。MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。
隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的逐步發(fā)展，MEMS所包含的內(nèi)容正在不斷增加，并變得更加豐富。MEMS內(nèi)容歸納為集成傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)。人們還把微機(jī)械、微結(jié)構(gòu)、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分。微電子技術(shù)的主要內(nèi)容有:氧化層生長(zhǎng)、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴(kuò)散、離子注入)、薄膜(層)生長(zhǎng)、連線制作等。
微加工技術(shù)的主要內(nèi)容有硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA技術(shù)等。利用微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術(shù)很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應(yīng)室、微執(zhí)行器、微機(jī)械等，這就能充分發(fā)揮微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用MEMS技術(shù)大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛(wèi)星。
MEMS技術(shù)主要屬于微米技術(shù)范疇，MEMS技術(shù)大都基于現(xiàn)有技術(shù)，用由大到小的技術(shù)途徑制作出來(lái)的，發(fā)展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能會(huì)像微電子一樣，對(duì)科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響，尤其對(duì)微小衛(wèi)星的發(fā)展影響更加深遠(yuǎn)，必將為大批量生產(chǎn)低成本高可靠性的微小衛(wèi)星打開大門。
