1、华南农业大学博士生现代测试技术期终作业华南农业大学博士生现代测试技术期终作业MEMSMEMS传感器技术传感器技术内容提要nMEMS的基本介绍nMEMS的加工方法nMEMS的基本分类n几种常见的MEMS传感器nMEMS在农业上的应用n相关参考文献MEMS的基本介绍一门一门技术技术一门一门产业产业一门一门科学科学MEMSMEMS的基本介绍nMEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是微机电系统的缩写，它是以机械学、电子学和计算机软件技术融合而成的一门新兴交叉学科。MEMS的基本介绍nMEMS(微机电系统)，同时也是一门技术，是在一个硅基板上，微米范围内集成了微型传
2、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的高新技术。MEMS的基本介绍nMEMS又是一种产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、农业、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS的加工方法nMEMS，微电子机械系统采用传统的机械加工艺、软x射线深层光刻电铸成型工艺和半导体硅微机加工工艺等来制作微尺度的机械、电子、流体、光学、生物及其它一些器件。制作微电子机械系统的主流技术是硅微机械加工工艺，它越来越多地用于微电子机械系统的加工中。
3、下面是其三种常用的加工方法：MEMS的加工方法n传统超精密加工方法传统超精密加工方法 传统的机械加工方法以日本为代表，超精密机械加工是日本研究微电子机械系统的重点。它主要是传统机械加工的微型化，这种加工方法就是用大机器来制造小机器，然后再利用小机器制造出微机器，这种加工方法加工出来的电子机械适用于在特殊场合的应用，例如微型工作台、微型机械手等。MEMS的加工方法n微机械加工方法微机械加工方法LIGA 微机械加工方法LIGA以德国为代表,LIGAIY法是指采用同步x射线深层光刻、注塑复制和微电铸制模等主要工艺步骤组成的一种综合性微机械加工技术。LIGA技术首先采用同步X射线光刻技术光刻出所要生产
4、的图形，然后采用电铸的方法加工出与光刻图形相反的金属模具撮后采用微塑注来制备微机械结构。MEMS的加工方法n半导体硅微机械加工方法半导体硅微机械加工方法 半导体硅微机械加工方法与传统微电子器件工艺兼容，这种加工方法以美国为代表。它利用集成电路工艺技术或化学腐蚀对硅基材料进行加工，加工成硅基微电子机械系统的器件，它可以实现微电子与微机械的系统集成，非常适合于批量生产，已经成为微电子机械系统的主流技术。MEMS的基本分类nMEMS一般可以以其核心元件分为两类：传感型MEMS、致动型MEMS。传感型MEMS输入信号微传感元件输出信号传输单元能量供给致动型MEMS输出动作微致动元件传输单元能量供给几种
5、常见的MEMS传感器n微压力传感器 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, 微压力传感器可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主制造;从敏感膜结构来看,微压力传感器可分为圆形、方形、矩形、E 形等多种结构。几种常见的MEMS传感器n微压力传感器几种常见的MEMS传感器n微压力传感器微压力传感器原理图几种常见的MEMS传感器n微压力传感器 目前微机械压力传感器的主要发展方向: 一是扩展其在汽车、工业测量控制、医疗仪器等方面的应用, 加速产业化进程; 二是将压敏器件与信号处理、校准、补偿、微控制单元进
6、行单片集成, 以形成智能化的压力传感器。几种常见的MEMS传感器n微加速度传感器 硅微加速度传感器在过去十年里发展很快, 是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。微加速度传感器有很多种类型, 目前最有吸引力的是电容式力平衡加速度计, 其典型产品是Kuehnel 等人1994 年报道的A GXL 50 型。系统分为四个部分: 质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路, 均被集成在3mm 3mm 的硅片上, 其中机械部分采用表面微机械工艺制作, 电路部分利用BiCMOS IC 技术制作。几种常见的MEMS传感器n微加速度传感器几种常见的MEMS传感器n微加速度传感器微加速度传感器原理
7、图几种常见的MEMS传感器n微加速度传感器 随后Zimmermann 等人报道了利用SIMOX SOI 芯片制作的类似结构的微加速度传感器，另外Chan 等人还报道了测量范围在5g 和1g 的改进型的力平衡式加速度计。这种传感器在汽车的防撞气袋控制等领域有着广泛应用，而且成本较低(在15 美元以下) ，因而引起了产业界极大的兴趣和投资热情。几种常见的MEMS传感器n微机械陀螺仪 微机械陀螺仪是另一种惯性微机械器件, 它在诸如汽车牵引控制系统、行驶稳定系统,摄像机稳定系统, 飞机稳定系统, 计算的惯性鼠标以及机器人、军事等领域均有广泛的应用前景。微机械陀螺仪的结构与常见陀螺仪差别很大, 常见的结
8、构有双平衡环结构、悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等几种,其中最先进的是振动环结构。几种常见的MEMS传感器n微机械陀螺仪几种常见的MEMS传感器n微机械陀螺仪单轴MEMS偏航陀螺仪工作原理图几种常见的MEMS传感器n微机械陀螺仪 微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产。 绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统
9、中振动和转动诱导的科里奥利力把正比于角速度的能量转移到传感模式。几种常见的MEMS传感器n微机械位移控制器 微机械位移控制器的主要应用是计算机硬盘的磁头定位系统, 硬盘的磁道密度很快将达到0. 25m/ 道,此时对应的移动定位精度是0. 025m ,这时解决磁头移动控制的办法是在现有位置控制系统上附加一个微机械次级控制系统。几种常见的MEMS传感器n微机械位移控制器几种常见的MEMS传感器n微机械位移控制器微机械位移控制器原理图MEMS在农业上的应用 基于 MEMS 惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统MEMS在农业上的应用n激光平地技术是农业生产中一项重要的节本增效措施，为了使激光平地
10、机在水田中作业时平地铲保持水平，设计了一种低成本的水田激光平地机水平控制系统，采用 MEMS 陀螺仪与加速度计通过信息融合测定平地铲实时倾角，通过脉冲宽度调节普通电磁阀实现平地铲水平控制。MEMS在农业上的应用水平激光平地机示意图MEMS在农业上的应用平地铲水平倾角传感器及安装示意图MEMS在农业上的应用采用加速度计 ADXL203测量平地铲倾角相关参考文献n李炳乾, 朱长纯, 刘君华. 微电子机械系统的研究进展J.国外电子元器件, 2001, 1.n王 勇.MEMS 技术发展及应用优势J.工艺与材料，2011，5: 85-89.n王淑华.MEMS传感器现状及应用J.微纳电子技术，2011，8
11、(8): 516-522.n任子西.MEMS技术将会为战术导弹带来一场革命J.战术导弹技术, 2010, 1: 1-8.相关参考文献n徐永青, 杨拥军.硅MEMS器件加工技术及展望J.微纳电子技术, 2010, 7(47): 425-431.n吕树海, 杨拥军, 徐淑静, 张旭辉.MEMS微加速度与微角速率集成传感器的研制J. 微纳电子技术, 2011, 3(48): 189-193.n王晓红, 谭智敏, 刘理天, 李志坚.MEMS 单片集成新方法及关键技术的研究J.微细加工技术, 2001, 3: 9-13.n赵祚喜, 罗锡文, 李 庆, 陈 斌, 田 欣, 胡 炼, 黎永健. 基于 MEMS 惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统J.农业工程学报, 2008, 6(24): 119-124.
