1、0101绪论绪论目目录录0202传感器的理论及技术基础传感器的理论及技术基础 0303物理量传感器物理量传感器0404化学传感器化学传感器0505生物传感器生物传感器0606微机电（微机电（MEMS）传感器传感器0707集成传感器集成传感器0808传感器在物联网中的应用传感器在物联网中的应用第六章微机电(MEMS)传感器技术6.1 MEMS概况及发展现状6.1.1 MEMS的定义 MEMS的全称是微电子机械系统（Micro-Electromechanical System）,它是指可批量制作的，将微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通信和电源灯集成于一体的微型器件或系
2、统。图1 微机电系统的模型框图6.1 MEMS概况及发展现状6.1.2 MEMS的特点特点描述小型化典型MEMS器件的长度尺寸通常在1mm1cm范围内（MEMS器件阵列或整个系统的尺寸可能会更大）制造材料性能优良MEMS器件以硅为主要材料，硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似于铝，热传导率接近铜和钨，因此MEMS器件机械电气性能优良高精度、低成本的批量制造MEMS技术可以高精度地加工小尺寸的二维或三维微结构微电子集成可以将机械传感器和执行器与处理电路和控制电路同时集成在同一块芯片上多学科交叉涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和
3、工程技术方便扩展MEMS技术采用模块设计，因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量表1 MEMS的特点及具体描述6.1 MEMS概况及发展现状6.1.3 面向物联网应用的MEMS传感器技术 可以预见未来大规模下游应用主要会以新的消费电子例如AR/VR，以及物联网例如智能驾驶、智慧物流、智能家居等。而传感器作为感知层，是不可或缺的关键基础物理层部分，物联网的快速发展将会给MEMS行业带来巨大的发展红利。图2 潜力巨大的物联网产业6.2 MEMS常用材料 MEMS器件通常由多种材料构成，每种材料都在MEMS中发挥着不可替代的作用。MEMS对材料的要求有：可微机械加工的特性、一定的
4、机械性能、较好的电性能和热性能。材料按照它的功能分为结构材料、功能材料两大类。图3 MEMS中常用材料6.3 MEMS的设计6.3.1 设计概述特点描述多学科交叉MEMS技术将传感器和执行器与处理电路和控制电路集成在同一块芯片上，其设计涉及了机械、电子、材料、控制等学科知识分层设计MEMS在器件系统、加工工艺等方面的复杂性使得其具有分层设计的特点多因素影响MEMS的设计受到微小尺寸、材料特性、加工工艺等多因素的影响，这些因素相互关联、相互影响表2 MEMS设计的特点及具体描述 MEMS的设计是促进MEMS研究进步和实现产业化的核心技术之一，它涉及了MEMS行为、物理行为、工艺等的建模与仿真等关
5、键技术。研究范围覆盖了机械、电子、光学、生物、流体、射频等领域，设计过程十分复杂。MEMS小型化、多学科交叉、高集成度等属性使MEMS设计具有以下明显的特点：6.3 MEMS的设计6.3.2 设计时需要考虑的几个因素表3 MEMS设计中需要考虑的因素 有五个进行MEMS设计时需要考虑的重要因素，它们分别是：市场需求、创新性和显示度、竞争力、是否掌握相关技术和制造成本。这五个因素的相对重要性取决于MEMS组件或微系统的类别（见表3）。分类市场需求创新性和显示度竞争力是否掌握相关技术制造成本技术探索研发工具商业产品6.3 MEMS的设计6.3.3 MEMS的分层设计图4 MEMS的分层设计 美国麻
6、省理工学院的S.D.Senturia教授是开展MEMS CAD研究的鼻祖，根据他的观点，MEMS的设计可以分为四个阶层：系统级、器件级、物理级和工艺级，图4是经过简化的设计流程图。6.4 MEMS制造工艺6.3.3 MEMS的分层设计图5 MEMS制造中使用的主要工艺 微电子和MEMS制造中使用了大量的工艺和技术。充分了解每步的工艺构成需要考虑以下几个因素：不同条件下的物理和化学行为，应用的适用范围和限制，常用材料，设备操作方法和原理。工艺过程可以分为以下几类：加法工艺、减法工艺、图形化、材料性质改变和机械步骤。图5总结了最常见的工艺流程。6.5 MEMS传感器6.5.1 MEMS传感器的分类
7、图6 MEMS传感器的分类 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。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6所示。6.5 MEMS传感器6.5.2 MEMS压力传感器图7 MEMS压力传感器的横截面示意图 MEMS压力传感器元件通常由尺寸从几微米到几毫米见方的薄硅片组成。在硅片的一面刻上一个空腔，空腔的顶部就成了一个可以在流体压力作用下变形的薄膜，硅薄膜的厚度通常为几微米到几十微米。在图7中，P1为参考压
8、力，P2为被测量的压力。受到外界压力后，P2大于P1，使薄膜产生形变（通常小于1m），可以通过不同的转换方式转变成电信号输出。6.5 MEMS传感器6.5.2 MEMS压力传感器图8 MEMS压力传感器的四种主要结构形式 如图8所示为MEMS压力传感器的四种主要结构形式。按照参考空腔是否密封，MEMS压力传感器可分为两类：一类为密封测量，即测量与一个密封的参考空腔的压力差，图8中的绝对式和密封量仪式就是这类传感器。另一类为非密封测量，测得两个端口输入的压力差，图8中的量仪式和差动式就是这类传感器。6.5 MEMS传感器6.5.2 MEMS压力传感器图9 MEMS压阻式压力传感器结构示意图 按照
9、原理不同，MEMS压力传感器又可以分为压阻式、电容式和压电式，其中绝大部分为压阻式，压阻式压力传感器的基本结构如图9所示。6.5 MEMS传感器6.5.3 MEMS加速度计图10 加速度计的一般结构 加速度计的结构一般都是一个悬挂在弹簧上的质量块（如图10所示)。不同加速度计的区别在于感知质量块的相对位置的方式。6.5 MEMS传感器6.5.3 MEMS加速度计图11 悬臂梁压阻式加速度计结构简化图，其中1代表悬臂梁，2代表扩散电阻，3代表质量块，4代表机座外壳 压阻式加速度计的工作原理是：根据牛顿第二定律来测量物体加速度，即物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=
10、F/m。6.5 MEMS传感器6.5.3 MEMS加速度计图12 SCA系列微加速计结构图 电容式加速度计的敏感元件为固定电极和可动电极之间的电容器，是目前研究最多的一类加速度计，一般采用悬梁臂、固支梁或挠性轴结构，支撑一个当作电容器动版电极的质量块，质量块与一个固定极板构成一个平板电容。其工作原理是在外部加速度作用下，质量块产生位移，这样就会改变质量块和电极之间的电容，将电容变化量检测出来就可以得到测量的加速度的大小。6.5 MEMS传感器6.5.4 MEMS陀螺仪（角速率传感器）图13 绝大多数MEMS陀螺仪的结构 MEMS 陀螺仪利用科里奥利力旋转物体在有径向运动时所受到的切向力，将旋转
11、物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号。6.5 MEMS传感器6.5.4 MEMS陀螺仪（角速率传感器）图14 万向接头结构的微型陀螺 万向接头结构的陀螺仪通过力平衡模式驱动，如图14所示。它的驱动轴为陀螺对称轴，对它进行驱动（频率为13kHz），当强迫输入轴改变方向时，输出轴可感知陀螺力矩并通过电极输出，计算出输入的角速度。6.5 MEMS传感器6.5.4 MEMS陀螺仪（角速率传感器）图15 微型谐振环状陀螺仪 图15所示为Putty和Najafi描述的一种安装在集成有源电路上的电镀环状陀螺仪(空心外壳设计)。32个电镀电容电极围绕着振动环来驱动、感知和控制控制其振动。芯片上的CM
12、OS电路将振动转换成输出电压。6.5 MEMS传感器6.5.4 MEMS陀螺仪（角速率传感器）图16 Z轴谐振驱动的微型两轴陀螺 Juneau等人设计了一种以多晶硅为衬底、用表面微机械加工制作，在同一芯片上具有电子电路的双轴陀螺仪。如图16所示，由Z轴谐振驱动转子高速旋转，转子被支撑在四个正交的悬浮弹簧上，弹簧的端部固定住衬底上。当衬底绕X轴（Y轴）旋转时，其引起的陀螺力矩，使得转子绕Y轴（X轴）扭振，以计算出角速度。6.5 MEMS传感器6.5.5 MEMS气体传感器图17 薄膜型气敏传感器结构 目前，气体传感器的应用日趋广泛，在物联网等泛在应用的推动下，其技术发展方向开始向小型化、集成化、
13、模块化、智能化方向发展。本节将探讨具有代表性的基于金属氧化物半导体敏感材料（MOS）气体传感器，这种传感器已广泛应用于安全、环境、楼宇控制等领域的气体检测。6.5 MEMS传感器6.5.5 MEMS气体传感器 半导体气敏元件的性能指标主要有：灵敏度、选择性、稳定性等。性能指标描述灵敏度灵敏度是表征由于被测气体浓度变化而引起的气敏元件阻值变化的程度。这里采用的是电阻比表示法表示灵敏度：以气敏元件在不同浓度的被检测气体中的阻值Rg和在某一特定浓度中的阻值R之比。选择性选择性用来表征其它气体对主测气体的干扰程度。用相对灵敏度表示法来表示选择性，即气敏元件在相同的条件下，接触同浓度的不同种类气体，电阻
14、值的相对变化。稳定性气敏元件在连续工作过程中，由于受到周围环境氛围、温度及湿度等的影响，会使元件的基线电阻和气敏性能发生变化。长期稳定性是实际应用中最为重要的参数之一。常用多次测试过程中，传感器基线电阻或灵敏度的变化程度来表示。表4 半导体气敏元件的性能指标 6.5 MEMS传感器6.5.6 MEMS温度传感器图18 硅/二氧化硅的双层微悬臂梁温度传感器图 与传统的传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻的特点，在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。悬臂梁一压阻检测式温度传感器 图18所示为硅/二氧化硅的双层微悬臂梁温度传感器的结构。该悬臂梁是硅/二氧化硅的双层结构，温度不同时，
15、在双金属效应的作用下，梁的挠度不同，压敏电桥会输出不同的电压，从而测量出温度的变化。6.5 MEMS传感器6.5.6 MEMS温度传感器图19 双谐振器式数字温度传感器 谐振式温度传感器 双谐振器式数字温度传感器如图19所示，其采用了两个双端音叉结构。该温度传感器的测量原理是基于温度-机械耦合效应硅和二氧化硅的刚度温度系数。然后对两个几何尺寸不同而基频(设计)相同的谐振器的频率进行比较得到拍频，根据拍频的变化实现高分辨率的温度测量。6.5 MEMS传感器6.5.7 MEMS湿度传感器图20 电容型湿度传感器 电容型湿度传感器 电容型湿度传感器是目前应用最多的一种传感器，大概占湿度传感器总数量的
16、75，因而它的种类也是非常繁多的。三明治结构的湿度传感器如图20所示，它由上下两层金属外加中间一层感湿介质构成，电容是上下结构。当湿度发生变化时，中间感湿介质层的介电常数也随之发生变化，从而改变结构的电容值。6.5 MEMS传感器6.5.7 MEMS湿度传感器图21 电阻型湿度传感器 电阻型湿度传感器 图21所示是由一种用MEMS和厚膜技术制成的一种电阻型湿度传感器，它利用化合膜PMAPIAC/SiO2吸湿后电导率发生变化的原理来测量湿度。此传感器的工作范围是30%90RH，灵敏度0.0252(logZ/RH)，响应时间是30s。缺点是电阻固有的温度系数，使传感器不能工作在很宽的温度范围内。6
17、.5 MEMS传感器6.5.7 MEMS湿度传感器图22 谐振式湿度传感器 谐振式湿度传感器 图22所示是由瑞士研究人员研制的一种谐振式湿度传感器，他们在表面加工工艺形成的谐振梁上涂上一层聚酰亚胺作为吸湿介质层，当湿度增加时，聚酰亚胺吸湿会发生膨胀并增加重量，使得谐振频率下降，因而通过测量谐振频率即可测得湿度。此传感器的谐振粱采用多晶硅电阻静电激励，灵敏度为270Hz/100，缺点是驱动功率对其影响很大，测量电路比较复杂。6.5 MEMS传感器6.5.7 MEMS湿度传感器图23 基于热传导的湿度传感器截面图 基于热传导的湿度传感器 图23所示是由瑞士研究人员研制的一种谐振式湿度传感器，他们在
18、表面加工工艺形成的谐振梁上涂上一层聚酰亚胺作为吸湿介质层，当湿度增加时，聚酰亚胺吸湿会发生膨胀并增加重量，使得谐振频率下降，因而通过测量谐振频率即可测得湿度。此传感器的谐振粱采用多晶硅电阻静电激励，灵敏度为270Hz/100，缺点是驱动功率对其影响很大，测量电路比较复杂。6.5 MEMS传感器在物联网中的应用实例背景介绍 在火电、煤化工、冶金、港口仓储等需要大量储煤的行业，煤炭会在储煤筒仓、圆型煤场等设施中长期存放。煤的氧化反应过程中会产生大量的热，并且挥发出多种可燃性气体。热量无法散去会导致煤炭发生自燃现象，而可燃气体在封闭煤场中积聚有可能引发爆炸事故。通过封闭煤场煤炭自燃监控系统的研发，依
19、托于煤场物联网平台，将各类MEMS智能传感器应用于物联网的感知层，使传感器更加智能地、方便地监控储煤场，保证电厂等安全绿色地生产。在各类储煤场的监控系统中，使用的传感器主要有温度传感器、可燃气体传感器、明火传感器、烟雾传感器、氧气传感器等。这些新型的MEMS传感器有着传统传感器无可比拟的优势和特点。6.5 MEMS传感器在物联网中的应用实例煤场物联网拓扑结构图24 煤场物联网拓扑结构 应用层包括了远程监控终端、手持监控设备、远程监控网页、集中监控屏幕墙，它们为用户提供多种数据监测和设备控制的服务。网络层通过Internet将所有局点和物联网服务器群连接成为一个整体。感知层由智能网关和各类智能传
20、感器组成，各类MEMS智能传感器安装于储煤筒仓和圆型煤场等设施中。6.5 MEMS传感器在物联网中的应用实例MEMS传感器在煤场物联网中的功能表5 MEMS传感器在煤场物联网中的功能功能描述采集并传送数据采集到的各类物理量由变送器转换成420mA或05V的标准输出，再由智能传感器的AD模块转换成数字信号，最后通过485 总线或无线接口发送至数据采集网关处监视自身健康状况智能传感器要时刻监视自身的工作状况，当出现某些工作不正常状况时，及时将信息发送到物联网系统中，集中监控屏幕墙可以随时查看到现场每个设备的工作状况数据融合当采集到的值超过智能传感器本身设置的阀值时，数据会立即发送，否则只发送整分钟1min内的平均值到上位机中自动校准传感器在不同的环境温度下，或工作时间较长时，采集到的值往往会产生一定的偏差，此时就需要智能传感器根据传感原件提供的漂移参数对采集到的值进行较准课后习题 1 简述MEMS的概念和几种MEMS器件的优点。2 设计MEMS 传感器应该考虑哪些因素。3 柱状硅棒两端各受10mN的拉力。该棒为1mm，直径为100m。试推导棒的纵向应力和应变。4 考虑长度和材料都相同的两个悬梁臂：一个的横截面为100m5m，第二个的横截面为50m8m.试问哪一个更能抵抗弯曲（或者更硬）？
