今日科普：MEMS传感器的应用案例介绍

简介：本节以truedyne sensor公司为例，介绍了他们的MEMS传感器技术的积累过程。MEMS传感器的技术核心，是硅谐振测量通道，与传统的谐振器技术相比，MEMS传感器具有许多的优点，例如：更小的尺寸、更加广泛的应用，以及即使是在低压、极短的放映时间内也能达到精确的气体密度测量。

1.什么是MEMS技术：

MEMS的全称，是Micro-Electro-Mechanical Systems，即微机电系统，该技术是基于硅半导体技术的基础上，在复杂的微系统中结合了微电子和微机械等功能。是在融合多种微细加工技术，并应用微电子技术和最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

半导体技术，是通过使用各种处理技术，在半导体基板（通常由硅制成）上集成几个电子部件（例如光刻和薄膜技术），并组装成芯片。由于芯片生产的各个步骤非常复杂，因此这些步骤会倍增。这些芯片，是由圆形、方形或圆盘形的晶圆制作成的，而晶圆的材料通常与所需基板的材料一致。

半导体技术可实现电子电路的微型化，在传统的电子产品中，电子电路由机械制造的组件组成。而TrueDyne Sensors AG MEMS芯片具有更高的集成度，不仅具有电子功能，而且还具有与机械和流体相关的性能。

由于对各个组件的要求很高，TrueDyne Sensors 公司的MEMS芯片通常不限于硅基板。取而代之的是，将不同的材料用于不同的组件，并通过各种组装和连接技术将它们组合在一起。[1]

图1：MEMS芯片的组成“1.晶圆 2.芯片”

2.MEMS技术的应用领域：

MEMS技术变得越来越重要。它们应用领域非常广泛，在我们的日常生活中无处不在。MEMS系统的应用领域包括：汽车工业应用的防盗，安全气囊控制或车辆侧翻检测系统；移动通信领域的导航，用于显示方向或着应用于移动游戏中；微流体系统在医学工程中，特别是在生物分子分析中，也具有巨大的应用潜力，在这个领域的关键词是芯片实验室或BioMEMS。

下面以MEMS传感器的常用四大领域进行介绍：[2]

（1）汽车电子：MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬挂（ECS）、电动手刹（EPB）、斜坡起动辅助（HAS）、胎压监控（EPMS）、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者，全球平均每辆汽车包含10個传感器，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器。

（2）消费类电子：随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现，特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展，消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。MEMS传感器在消费电子领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等，这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。

（3）航空航天设备：

MEMS传感器应用在航空航天领域，要求适应在不同的空间环境，以及航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的诱导环境，航空航天传感器主要有状态传感器，环境传感器之分，前者包括各种活动机件的即时位置传感器，飞机状态传感器，飞机姿态传感器等，环境传感器主要有温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、压力传感器、流量传感器等。

（4）生物医疗行业：

MEMS传感器技术的突破也为医疗应用带来前所未有的便利性和体验。体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域都在不断发展，系统集成商们需要创新的技术来迅速提高产品性能、降低产品成本、缩小产品尺寸，生物医疗行业中常用的MEMS传感器包括：医用测压传感器、植入式传感器、压电聚合传感器、心脏起搏器、MEMS加速度传感器、生物传感器等。

3.Truedyne 传感器公司的MEMS技术

几年来，TrueDyne 传感器公司一直致力于利用Coriolis测量原理开发和实现流体微系统或MEMS芯片。 Coriolis测量原理所需的流体通道由硅基板形成，并集成到MEMS芯片中。在TrueDyne传感器公司的研究中，该系统尚未能被证明对测量流量有效。然而，通过研究已经表明，振动硅通道可以非常有效地用于谐振器密度计中。

如今，TrueDyne传感器公司的MEMS芯片非常小，尺寸不超过6.9 x 6.9 x 1.5 mm3。它包含电子组件，流体测量通道和温度传感器。TrueDyne 传感器公司的MEMS芯片总共使用四个晶片进行制造：

（1）通过使用等离子蚀刻技术，将两个硅晶片组成测量通道。。为此，每个通道的一半被蚀刻到硅晶片中。通过连接两个半部（接合的方法）来创建通道。

（2）玻璃晶片包含金属电极，流体孔和温度传感器。

（3）另一个硅晶片用于在真空中封装测量通道。这使得测量通道可以在没有空气阻尼的情况下振荡。

由于芯片的微型化（测量通道= 0.5 µl体积）和通道材料的优秀质量（硅），使得MEMS芯片具有许多优势和新的应用领域。芯片的微型化是目前MEMS技术发展的一大趋势，特别是在小批量样品和结构紧凑的应用中，微型化的作用是非常强大的。

硅优秀的热力学性能和机械性能，还意味着会给传感器带来更为强大的功能。硅是良好的热导体。因此，通道与环境之间不会有较大的温度差。这使得密度测量时所需的温度信息可以精确而容易地确定下来。

图2：MEMS芯片“1.薄膜温度传感器，2.狭缝，3.测量通道，4.真空，5.电极”

硅的机械性质对于密度测量也是有利的。硅通道的低自重和低刚性意味着可以实现非常高的测量灵敏度。该性质对于轻质液体和气体特别重要。因此，仍可以在低压的环境下以高灵敏度进行气体测量（当前指定的压力范围在1至20 bar之间）。此外硅通道可以以很高的频率振动。这样可以缩短测量时间，并使测量信号不受外部机械干扰振动的影响。

参考文献：

[1] Praxiswissen Mikrosystemtechnik, F. Völklein und T. Zetterer, 2006, Vieweg+Teubner Verlag
[2] 传感器四大应用领域详解 https://tech.hqew.com/fangan_17

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