摘要：MEMS传感器是随着纳米技术的发展而兴起的新型传感器，具有很多新的特性，相对传统传感器其具有更大的优势。在追求微型化的当代，其具有良好的发展前景，必将受到各个国家越来越多的重视。文章首先介绍了MEMS传感器的分类和典型应用，然后着重对几个传感器进行了介绍，最后对MEMS传感器的发展趋势与发展前景进行了分析。
关键词：MEMS传感器；加速度计；陀螺仪；纳米技术；微机构；微传感器 文献标识码：A
中图分类号：TH703 文章编号：1009-2374（2016）35-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.35.022
1 背景
广义上讲，MEMS是指可批量制作的，集微机构、微传感器、微执行器以及信号处理及控制电路，乃至通信和电源于一体的微型器件或机电系统。
1.1 MEMS技术的发展
1824年，硅的发现为微电子技术和MEMS技术的发展奠定了材料基础。1954年，发现了压阻效应，为微型压力传感器的研制奠定了理论基础。1967年提出了表面牺牲层工艺技术，并在此基础上制备出了具有高谐振频率的悬臂梁结构。1970年，美国Kulite公司展示了第一款硅基加速度计。1982年，德国提出一种以高深宽比结构为特色的LIGA工艺，用于制造微齿轮等卫星机械部件。1987年，MEMS作为一个正式的名字在美国诞生。2000年至今，MEMS高速发展，在声学MEMS、光学MEMS、生物MEMS和能源MEMS等需要领域出现了形形色色的微器件。
1.2 MEMS技术发展的浪潮
1.2.1 第一轮始于20世纪70年代末80年代初。1987年，美国加州大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达，引起国际学术界的轰动，MEMS进入新纪元。这一时期MEMS产品主要为微型压力传感器。
1.2.2 第二轮出现于20世纪90年代，主要围绕PC和信息技术的兴起。（1）1993年，美国AD公司将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊；（2）同年，美国TI公司的数字微镜装置研制成功，从此彻底改变投影仪等视频装置的成像方式；（3）该时期出现的深度反应粒子刻蚀（DRIE）技术以及围绕该技术发展的多种新型加工工艺极大地推动了MEMS技术的发展。
1.2.3 第三轮出现在20世纪末，21世纪初。2002年，ADI的MEMS器件销售额超过1亿美元，但绝大部分仍来自汽车领域的安全气囊、导航、汽车报警和车辆动态控制系统等。
1.2.4 第四轮出现在2006年以后。（1）MEMS在汽车方面的应用继续推动市场，但其增长的真正驱动力转向手机、游戏系统和体育应用方面的消费品市场；（2）2006年，随着任天堂和索尼PS3等新一代游戏机开始采用MEMS加速度计，MEMS产业终于打破了过去10多年来依赖汽车应用的宿命。
2 目前已有的MEMS传感器
2.1 MEMS加速度计
MEMS加速度计，顾名思义，即是用来测量物体加速度的仪器，MEMS加速度计即为微型加速度计，同传统加速度计相比，其具有体积更小、质量更小的特点。根据测量原理，可分为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。
2.1.1 压阻式微加速度计。
压阻效应：在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时，其电阻率产生变化的现象。
工作原理：当外界有加速度输入时，由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用，悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变，并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变，由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变，进而压阻膜两端的电压值发生变化，从而可以通过实验得到一系列电压与作用的惯性力的关系，而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关，从而便可以得到电压与加速度的关系，进而完成对加速度的测量。
优点：（1）原理结构简单，传感器制作容易；（2）接口和内部电路容易实现。
缺点：（1）对于温度的变化十分敏感，会影响测量精度；（2）灵敏度比较低，不便于测量微小的加速度变化；（3）蠕变和迟滞效应比较明显。
2.1.2 电容式微加速度计。
基本原理：由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关，因此距离的变化可以通过电容的变化来测量，由电容变化得到位移变化，再进行微分运算便可完成加速度的测量。
工作原理：将质量块固连在基体上，并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连，另一个极板则与固定的基体固连。当有加速度作用时，质量块发生位移，上下电容发生变化，可以得到电容变化差值，进而得到加速度。
优点：（1）灵敏度和测量精度高；（2）稳定性好；（3）温度漂移小；（4）功耗极低；（5）过载保护能力较强。
缺点：（1）读出电路复杂；（2）易受寄生电容影响和电磁干扰。
2.1.3 压电式微加速度计。
压电效应：一些电介质在受到外界的作用而发生形变时，在电介质的内部会发生极化，与此同时，在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，而当作用在电介质表面的力的方向发生了改变，则极化出的电荷的极性也会发生改变，这种现象称为压电效应。
工作原理：在弹性梁上覆盖一层压电材料膜，当有外界加速度作用于质量块时，在惯性力的作用下，弹性梁会因受到外力而产生变形，由于压电效应原理知，器件结构的上电极和下电极间会产生电压，由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式，得到加速度的变化，进而完成对加速度的测量。
优点：（1）结构比较简单；（2）容易测量。
缺点：（1）很难测量常加速度；（2）温度系数较大；（3）器件的线性度不够好；（4）压电材料价格比较昂贵。
2.2 微压力传感器
MEMS传感器的发展在近几年达到了发展的高峰期，追其根源，则可以追溯到20世纪60年代，首个硅隔膜压力传感器和应变计的发明打开了微传感器发展的大门，随后出现了各种各样的微传感器，但各种微传感器的发展并没有影响微压力传感器的地位，直到目前为止，微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广泛，影响最为深远的微传感器。根据不同的分类方式，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等，同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。
微压力传感器在航空航天、车辆、控制等多种领域内都有广泛的应用。在对车辆进行安全性检测时，需要知道车辆一些部位的压力情况，以此来确保汽车处于安全工作状态，此时便可利用微压力传感器体积小等特点，测量到一些利用传统压力传感器难以测量的部位的压力，使车辆的安全系数更高。航空航天器在飞行的过程中，由于外界环境条件十分复杂，飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响，因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测，防止其超出材料所能承受的极限，同时在飞行器的发动机内部，不同的压力条件下发动机的工作性能会产生很大的不同，甚至在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作，因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要，利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。
2.3 MEMS陀螺
在飞机飞行的过程中，需要对飞机的俯仰、偏航、滚转三个自由度进行测量，不光需要测量加速度，还需要测量角速度。加速度可以使用加速度计进行测量，而角速度的测量一般是利用陀螺仪来进行测量的。目前使用的陀螺仪利用高速转动的物体具有定轴性，当具有角度偏转时，可以测量出偏转的角度，进行微分计算则可以得到角速度。现在在飞机上使用的陀螺仪由于外部条件的要求，其精度十分高，但高精度带来的代价就是结构复杂、寿命短，使其使用成本大幅增加。因此，目前为止，这种陀螺仪也仅仅使用在需要高精度的导航方面。实际上，角速度传感器可在生活军事等各个领域都有广泛的应用。近年来，随着微机械加工技术的不断发展与进步，制造精度的不断提高，制造可批量生产、精度较高的微型陀螺已经成为可能。但是尽管已经有各种新型的微陀螺诞生，但尤于其还是一个刚刚起步的行业，有许多的问题还需要不断改进，且目前已经生产出的微陀螺，其测量精度较差，只能说可以实现功能，根本无法应用到实际，因此微型陀螺的发展仍然任重而道远。
2.4 微气体传感器
目前大气污染现象日趋严重，PM2.5成为人们关心的话题，发展各种不同性能的气体传感器也成为各国政府所重视的问题，微气体传感器应运而生。根据微气体传感器制作材料的不同，微气体传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。微气体传感器由于可以集成各种传感器于一块芯片，其便满足了人们在测量气体时多种测量的需要。例如许多气敏传感器在不同的工作温度下可能测量会有明显的差异，每个气敏传感器都有一个属于自己的最佳测量温度。因此在测量气体的时候，还需要对温度进行测量，以确定传感器适用的计算公式。目前微机械制造技术发展比较完善，微纳米技术的发展更是让一个芯片可以完成很多不同的功能，将气敏传感器同温度传感器集成到同一个芯片之上，便可以在测量气体的同时测量温度，保证气体测量的准确性。
2.5 微温度传感器
微温度传感器体积小、重量轻，其固有热容量小，在温度测量方面具有比现有的热敏电阻等温度传感器更大的优势。目前已开发的微悬臂梁温度传感器，利用了硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的不同。在不同的温度下，硅和二氧化硅的形变量不同，使得与其固连的悬臂梁的不同部分的形变量也不相同，而其形变可通过位于悬臂梁底部的检测电路来进行测量。通过测量在不同温度下的不同形变，便可确定温度与形变的对应关系，进而便可以通过形变来确定温度。这种测量方法通过实验证明其具有很高的精度，非线性误差也较小，可以在比较大的范围内进行测量。
3 结语
随着微纳米技术的发展、微机械制造技术的成熟，越来越多的传感器开始向着微型化不断发展。利用MEMS技术加工制作的微型传感器具有微型化、集成化、低成本、易批量生产等一系列优点，其呈现出来的优势受到了越来越多国家的重视，很多国家也开始投入重金发展微型传感器。虽然目前已经开发出的微型传感器还存在灵敏度低、工作区窄、精度差等不足，但是相信随着科研的深入，以后的微型传感器一定可以克服现阶段的不足，呈现出蓬勃的发展生机。
参考文献
[1] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术，2011，（8）.
[2] 朱长纯，韩建强，刘君华.微机械传感器的现状与发展[J].电子元器件应用，2003，（4）.
作者简介：肖应超（1994-），男，陕西西安人，西北工业大学航天学院学生，研究方向：探测制导与控制技术。
（责任编辑：蒋建华）