物联网传感器技术与MEMS传感器

1.微机电系统技术

微电子机械系统或微机电一体化系统，目前通称为微机电系统（MEMS）。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通信接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

MEMS是外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米/纳米量级，可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它将微电机、微电路、微传感器、微执行器等微型装置和器件集成在硅片上。这种微型机电系统不仅能够搜集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。MEMS具有以下特点：

1）微型化。MEMS体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

2）以硅为主要材料，机械和电气性能优良。硅的强度、硬度和弹性模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3）批量生产。用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4）集成化。可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5）多学科交叉。MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集成了当今科学技术发展的许多尖端成果。

微机电系统的核心是单片式或集成式芯片，这种芯片不仅具有感测功能（带有微传感器），而且还具有执行功能（带有微执行器）。也就是说，MEMS是一个含有信息处理的三位一体装置的微系统。MEMS所需的主要技术和原理如图6-32所示。

图6-32 MEMS所需的主要技术和原理

构成这种微机电系统的技术称为微系统技术（MST）。早期的工作集中在硅技术上，并成功地制成了一些微机械装置，如压力传感器和喷墨打印机喷头。然而这些更准确的名称应该叫做装置，而不是MEMS。完全意义上的MEMS之所以进展缓慢，是由于它的制作过程复杂。图6-32详细列出了构成MEMS所需的一些技术和原理。以微机械为研究对象的微机电系统涉及多种学科，主要有微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物等学科。随着检测对象和应用场合的不同，所用的基础理论、材料、设计及加工方法也不尽相同。

2.技术、器件与系统

MEMS的制作工艺技术主要基于两大技术，即IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大；而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA（光刻、电镀和铸造）技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。

MEMS由早期的自然演变进入自身全面发展时期。人们开始提出一些新的设计理念，如微型飞机、微型机器人、微型汽车及微型潜艇等。这些复杂的MEMS，可以测定空间的位置与方向以及相对于其他物体的临近程度。它们还应具有与遥控操作人员的通信能力，因此需要一种无线通信连接装置（特别是要求它们进入人体内部时）。与MEMS发展相关联的一个主要问题是进一步解决合适的小型化电源。

微系统是将各种传感器、执行器和处理器集成于一体的装置，如在空间移动不仅要考虑其质量和体积，还要考虑可携带的能源。因此，也有学者说，未来的MEMS还将取决于相关的通信连接装置等方面的限制。

（1）微传感器

微传感器是MEMS的一个重要组成部分。现在已经形成产品和正在研究中的有压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉等传感器。其中，力学量微传感器是微传感器中最重要的种类，这是因为被测的力学量种类繁多，并成功地大量用在市场上，如汽车工业市场。

迄今为止，力学量微传感器主要类别大体上分为6类，这6类产品占据力学量微传感器现有市场的大部分。力学量微传感器的主要被测量是加速度/减速度、位移、流速、力/力矩、位置/角度和压力/应力。

（2）压力微传感器

压力微传感器是硅微机械加工制成的传感器的首要类型，是20世纪50年代末至60年代初开发出来的。因此，压力微传感器可以代表最成熟的硅微机械加工的器件，是至今最广泛的商品化产品。

表6-6总结了电容式压力传感器和压阻式压力传感器的优缺点。

表6-6 电容式压力传感器和压阻式压力传感器的优缺点

（3）加速度微传感器

加速度微传感器基于悬臂梁原理，即末端质量块（或移动结构）在惯性力作用下产生位移。多晶硅表面微机械加工技术制作的电容式传感器和单晶硅微机械加工技术制作的传感器是最普遍的，一般具有高g值和低g值等各种器件。目前加速度微传感器的生产数以百万计，而且带有复杂的阻尼和过载保护装置。加速度微传感器的主要市场是自动制动系统、悬架系统（0～2g）和气囊系统（可达50g）。

通过增加微谐振器的阻尼和刚度，可进一步增加动态范围，因此加速度微传感器可用在军事上，如导弹控制。

（4）微陀螺仪

采用微机械加工方法制作的耦合谐振式陀螺仪可以测量目标方位变化。这种器件是用体微机械加工技术制作的，微型质量由（P++）掺杂的单晶硅制成，并由微型扭转梁支撑。陀螺的外框架在恒定振幅下由静电驱动，内框架的运动可被感测出。转速分辨力只有4°/s，带宽是1Hz。

用多晶硅表面微机械加工方法已经制作出更加先进的陀螺仪，已经生产了一些耦合谐振器陀螺仪样品。还有用于准确测量旋转速率的环形陀螺仪，基本方法很引人注目，但需要采用深腐蚀技术才能制作出这种富有生命力的器件。

（5）流量微传感器(https://www.xing528.com)

在汽车、航天以及化学工业等许多领域中，测量气体（或液体）的流速非常重要。例如，了解发动机燃料流量或供给家庭锅炉用的气体流量是十分重要的。实际上，有许多传统的方法可直接测量流量（如旋转的叶片），也可通过差压间接地测量流量（节流孔板、文丘里管和皮氏流速测定管）。这里关注的是利用新型力学量微传感器所进行的流量测量。用微传感器检测气体和液体流量的最普通的工作原理，是以1911年托马斯首次认定的热流传感器的理论为基础的，即用热电偶温度传感器在两端点监测电阻丝加热器至流动液体的每单位时间传输的热量（P_h）。

当达到稳定状态时，质量流速Q_m与温度差（T₂-T₁）成正比，由此得出

式中，c_m为假定管壁上没有热损耗的流体的比热容。

还有一种略有不同的方法是用悬臂梁取代了微型电桥，加热器与基底之间用一层聚酰亚胺进行热隔离。这样热敏二极管就取代了热敏电阻器，传感器集成于CMOS电路。虽然仍能测量高达30m/s的流速，但功率损耗大约是原来的1/2。

这种商品化的流速微传感器带有自身温度补偿，但是这种传感器必须根据不同的气体（或混合气体）进行校准，因为气体的密度和热容不同。

还有其他类型的流量微传感器，它们涉及的范围从相对简单的器件（如以简易的MOS为基础的风速表）到新近改进的带有σ-δ温度调制装置比较复杂的器件。然而随着微流体学领域在MEMS中所占的地位越来越重要，硅流量微传感器极有可能在未来几年里应用不断扩大。

微执行器是将电信号转换为非电量的微型器件。微电机是一种典型的微执行器，可分为旋转式和直线式两类，其他的微执行器还有微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微执行器分布成阵列可以扩大其应用领域。微执行器的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等。

3.微电机

可用MEMS工艺制作微电机，如制作一个中心销可变电容侧向驱动微电机。转子是微电机的主要部件；此外，还需要制作定子磁极以形成微电机。可变电容侧向驱动微电机有转子和定子用电导材料。由重掺杂磷的N型多晶硅能够满足这一要求。此外，定子磁极必须与衬底、转子以及相互之间进行电绝缘。这种电绝缘是通过低压化学气相沉积的绝缘氮化硅层来实现的。

4.微型泵

利用表面微机械加工、微铸模和膜片转移结合的先进方法可以制作微型泵。首先利用表面微机械加工工艺在硅衬底上对功能材料或结构材料构成的柔性膜片进行沉积和图形制作；然后用铸模工艺为做出的膜片制作外壳，再将膜片从硅衬底转移至聚合物外壳。该工艺可以低成本地生产性能可靠的微型器件。

图6-33所示为由这种工艺成功制作的微型泵，它由两个膜片阀和一个热气动泵执行器组成。两个阀的膜片和执行器的膜片由柔软聚合物制成，能够进行大的偏转，并具有相当好的一致性。根据静态分析模型，由于膜片式微型泵的输出流速Q与膜片偏移的幅度（侧）成正比，所以启动膜片的大幅度偏转会提供更高的流速。这可以写成一个公式：

Q∝ηΔVf∝ηfwA （6-11）

式中，η为与阀泄漏有关的系数或效率系数；f为启动频率；ΔV为泵状态和供应状态的体积差，它与wA成正比；A为泵室内的膜片面积。

图6-33 小规模生产线制作的微型泵（图有局部放大）

采用这种工艺制作的微型泵膜片的偏移要比硅微型泵膜片的偏移高出1～2个数量级，而且阀膜片优异的一致性能得到高效率系数。但由于采用了热气动启动，微型泵的工作频率相对较低，在某些要求高流动均匀性的应用中可能不适用。该类型微型泵的技术数据见表6-7。应该注意的是，外壳和微型泵的膜片是由聚合物制成，可根据特种应用的特殊要求进行选择，如生化流体的处理。该工艺的另一个优点是它的批量生产工艺，可使微型泵的生产能保持相对较低的成本。

表6-7 微型泵的技术指标

（续）

注：上述数值用于22℃工作温度。

5.微型喷头

同时采用体微机械加工技术和表面微机械加工技术的工艺可制作微型喷头。可以完全肯定的是，单独采用体微机械加工技术或表面微机械加工技术都能够制作出各种微传感器和MEMS。但是，所有这些器件都要受限于这两种技术中各自的局限性。利用体微机械加工技术和表面微机械加工技术的加工能力上各自的优点，并在制作MEMS中将两种技术结合起来，可以制作出新型的、任何单一微机械加工技术都无法实现的MEMS。利用体微机械工艺和表面微机械工艺的结合制作微型喷头就是一个例子。

6.微型夹钳

制作一个悬浮于支撑悬臂梁上的多晶硅微型夹钳，悬臂梁本身从硅片上凸出来用作夹钳结构的基座。悬臂梁厚约为12μm、长约为500μm，并呈逐渐变细形状，基部宽约为400μm，尖端宽约为100μm。这个支撑悬臂将悬浮的多晶硅微型夹钳准确地定位，同时提供一个很薄的延伸部分。多晶硅微型夹钳的厚约为2.5μm、长约为400μm。它包括一个闭合驱动器和两个驱动臂，驱动臂与延伸至夹钳爪的延伸臂相连接。驱动臂和梳齿的梁宽约为2μm，而闭合驱动器的梁宽约为10μm，这样才能具备相应的坚硬度。当在闭合驱动器和驱动臂之间施加电压时，驱动臂移动并关闭夹钳爪。

7.微型光机电器件和系统

随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由MEMS与光器件融合为一体的微光机电系统（MOEMS）将成为MEMS领域中一个重要研究方向。在光通信技术和生物制造工业的推动下，微光机电系统的发展十分迅速。新研制的用于投影显示装置的数字驱动微简易阵列芯片样机中，一个微镜的尺寸仅为16μm×16μm。反射镜下面的支撑机构中，微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下面都有驱动电极，在下电极与微镜间加一定的电压，静电引力使微镜倾斜，入射光线被反射到镜头上后投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射到镜头外，高速驱动微镜使每个点产生明暗，投影出图像。