Manufacturing Technology

MEMS传感器的主要种类及其应用

MEMS 的全称是微型电子机械系统，利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有小体积、低成本、集成化等特点。

MEMS传感器的主要种类

MEMS传感器种类繁多，主要的MEMS传感器包括运动传感器、微机械压力、微流量、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计。

1、MEMS运动传感器

MEMS运动传感器主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类，加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器；磁力计和加速度计集成为电子罗盘（e－compass），加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。

2、MEMS微流量传感器

微流量传感器不仅外形尺寸小，能达到很低的测量量级，而且死区容量小，响应时间短，适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力，再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。

3、MEMS微机械压力传感器

微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器的精度可达0.05%~0.01%,年稳定性达0.1%/F.S,温度误差为0.0002%,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。

(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。

(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感器。

(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。

(4)开发谐振式压力传感器。

4、MEMS环境传感器

环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器等。MEMS温度传感器可用于任何需要检测温度的地方。

MEMS湿度传感器在工业控制、气象、农业、矿山检测等行业中得到了广泛的应用。

MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。

5、MEMS生物传感器

MEMS生物传感器目前处于发展初期。MEMS生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件，被列为新世纪五大医学检验技术之一，是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的产物。未来MEMS生物传感器在医学、食品工业、环境监测等领域具有广阔发展空间。

MEMS传感器的应用领域

除了智能手机，MEMS传感器将会在 AR／VR、可穿戴等消费电子，智能驾驶、智能工厂、智慧物流、 智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。

1、可穿戴设备应用

以小米手环为例，就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测。 Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风，还有使用脉搏传感器。

2、VR应用

VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离，采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一，几乎成为VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪，未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。

3、无人机应用

无人机飞行姿态控制技术上，MEMS传感器又有了施展的空间。结合加速度计和陀螺仪，可以算出角度变化，并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作，同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。

4、车联网应用

车联网是物联网发展的重大领域，智能汽车是车联网的核心，正处于高速发展中。在智能汽车时代，主动安全技术成为备受关注的新兴领域，需要改进现有的主动安全系统，比如侧翻（rollover）与稳定性控制（ESC），这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。

语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用，包括安全气囊（应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器）、汽车发动机（应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器）等。

5、自动驾驶应用

自动驾驶技术的兴起，进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度，但在GPS信号较差的地方（地下车库、隧道）和信号受到干扰的时候，汽车的导航会受到影响，这对自动驾驶来说是致命的缺陷。利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置（角速度和角位置），车辆任何细微的动作和倾斜姿态，都被转化为数字信号，通过总线，传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下，MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展，精度已经上升到0.01。

6、工业应用

工业领域应用的传感器，如工艺控制、工业机械以及传统的；各种测量工艺变量(如温度、液位、压力、流量等)的；测量电特性(电流、电压等)和物理量(运动、速度、负载以及强度)的，以及传统的接近/定位的传感器。