基于MEMS传感器

在21世纪，MEMS技术通过将基于硅的微电子技术与微加工技术相结合，已经显示出其革命性的消费产品和工业产品的潜力。MEMS技术比现有的微型机电传感器具有显著的优势。

微机电系统(MEMS)是指将机械和电子元件结合起来，采用集成电路批量加工技术制造的具有非常小的尺寸特征的器件，从几微米到毫米不等。

MEMS器件能够在微观尺度上进行传感、控制和驱动，并产生微观尺度上的结果。一般来说，这些设备的尺寸范围是20微米到1毫米。MEMS器件广泛应用于工业、汽车、仪器仪表、国防和医疗等领域。

什么是MEMS技术?

MEMS是Microelectromechanicalsystems的缩写，是一种用于在单个晶圆上微细加工电子和机械部件的技术。这个词起源于20世纪90年代的美国，在欧洲也被称为微型系统，在日本被称为微型机器。

在此之前的技术被称为硅微加工。MEMS技术提供了以前半导体器件无法提供的新功能。

换句话说，MEMS是一种精密装置，其中的机械部件和微型传感器以及信号调理电路是在一小块硅上制造的。MEMS首字母缩写中的字母S表示反映这种技术有助于创造新的系统解决方案的系统。

采用MEMS技术集成在硅片上的元件包括微传感器、机械结构、微电子学和微执行器，如图所示。

微传感器通过测量热、化学、电磁、机械信息来检测系统所处环境的变化，而这些物理变量由微电子处理，然后微执行器根据环境的变化做出反应。

• 导致对MEMS技术产生高度兴趣的一些主要因素是
• 由于硅含量为99.999%的纯晶体结构，MEMS器件具有优良的机械特性，不会产生机械滞后或材料疲劳。
• 利用批量晶圆加工技术可以生产出低成本、大容量的微晶圆器件。由于有先进的IC加工设备，这种大批量生产非常方便。
• 在亚微米级水平的横向尺寸被极大地控制。
• 可用于测试和诊断的精密设备，也可用于设计和仿真的高端软件系统。
• 在业务方面，MEMS设备确保了多个新兴市场的巨大经济收益。1999年，《商业周刊》将中小微企业选为21世纪经济增长的三大技术之一。

MEMS技术制造

MEMS的发展是硅革命的必然结果，后来微机械的加入使得电子与机械部件的集成，从而产生高性能、低成本和高功能的集成微系统。

硅是制造微传感器和微执行器的完美材料，适用于不同的应用范围，因为它是一种特征良好的材料，具有高导热性，无滞后，低体积膨胀，良好的电性能，对应变、温度、应力和其他环境因素敏感，弹性模量类似于钢等。

在MEMS制造中，硅可以被化学蚀刻成各种形状，相关的薄膜材料如多晶硅、铝和氮化硅可以被批量微加工成各种各样的机械形状和配置。

MEMS的制造技术多种多样，主要采用的两种技术是体微加工和表面微加工。让我们简单地讨论一下这两个问题。

大部分微加工

它是MEMS制造中最古老和最流行的技术。在这种方法中，机械结构是在单晶硅晶圆的边界内创建的，通过使用方向依赖蚀刻有选择地去除部分晶圆材料。根据刻蚀剂的阶段，体微加工加工可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

在湿法蚀刻中，通过将硅片浸入依赖于水化学物质的液体蚀刻剂中来去除材料。蚀刻(晶圆材料的去除)可以是各向异性的、各向同性的，也可以是两者的结合。

在各向同性蚀刻中，根据衬底的晶体学取向，在各个方向上分别去除硅片。

在这种情况下，结构定义的准确性不是很好，而是取决于温度、刻蚀剂浓度和时间等因素。海航(HNA)是最常见的硅蚀刻形式，由硝酸(HNO3)、氢氟酸(HF)和醋酸(CH3CHOOH)的组合组成。

这些类型的蚀刻剂受到要蚀刻的几何结构的限制。蚀刻速率可以减慢，在深和狭窄的通道，这个速率可以停止由于扩散限制因素。然而，这可以通过搅拌蚀刻剂最小化，导致结构接近完美和圆形表面，如下图所示。

在各向异性腐蚀中，腐蚀速率取决于晶圆的晶体取向。最常见的各向异性蚀刻剂是氢氧化钾(KOH)，使用相对安全。

这种各向异性蚀刻在垂直于110平面的晶体方向上进展迅速，而在垂直于100平面的方向上进展缓慢。上图C和D是各向异性蚀刻的例子。

干蚀刻依赖于等离子体和蒸气蚀刻方法，使用适当的活性蒸气或气体，通常在高温下。反应离子蚀刻(RIE)是MEMS中最常见的，它利用额外的能量以射频(Radio Frequency)功率的形式来驱动化学反应。

蚀刻可以发生在更低的频率，通常在150到250摄氏度的范围内，因为高能离子被加速到材料被蚀刻在等离子体相提供额外的能量所需的反应。

由于RIE不受硅中晶面的限制，可以蚀刻出深沟槽和凹坑，或任意形状的垂直壁。

深度反应离子刻蚀(DRIE)是一种高纵横比的方法，它涉及到高密度等离子体刻蚀和保护性聚合物沉积的替代过程，以实现更大的纵横比，如图所示。

刻蚀停止方法是为了使刻蚀过程在一个精确的位置停止。其中一种方法是电化学的性质，是基于这样的事实，蚀刻停止在遇到一个有偏pn结的不同极性的区域。

另一种技术是基于重度掺杂区域的刻蚀比未掺杂区域慢的事实，因此可以通过掺杂部分材料来选择性地进行刻蚀过程。

表面微加工

它是一种通过沉积、刻划和蚀刻一系列薄膜来生产MEMS的方法，通常厚度在1- 100微米之间。

与体微加工相比，表面微加工通过沉积牺牲层和结构层薄膜在硅表面构建结构，最终通过去除牺牲层形成机械结构。

因此，这个过程通常涉及两种不同材料的薄膜。通过一种结构材料，制造出一种独立式结构，通常是多晶硅、多晶硅、氮化硅和铝。献祭材料沉积在需要开放区域或独立机械结构的地方，通常是氧化物。

下图显示了表面微加工所需的过程，说明了具有中心导轨的多晶硅滑块的简化制造。这种设计需要两层结构多晶硅和牺牲氧化物。

图a说明了第一牺牲氧化层以及如何完成第一多晶硅层的沉积和图案。图b和c显示了第二牺牲氧化物层的沉积以及锚孔通过氧化物的自由蚀刻。

下一步是第二多晶硅层的沉积和图案，随后是去除用于释放结构的牺牲氧化物。

表面微细加工的主要优点是，除了光刻技术的限制之外，在器件的小型化方面没有任何限制。此外，结构复杂的机械系统，包括独立或可移动的部件，可以通过堆叠多层材料来创建。

此外，表面微加工与集成电路加工具有高度的兼容性。但表面微加工的主要缺点是它是薄膜技术创造基本的二维结构。

MEMS技术的应用

基于MEMS的器件或传感器是各个学科领域的关键部件，如医疗设备、汽车电子和便携式电子设备，如计算机外设、硬盘驱动器、手机、无线设备等。

MEMS的商业应用包括微传感器和微执行器。下面将讨论MEMS技术的一些具体应用。

电动轮椅

对于残疾人和老年人来说，电动轮椅是重要的工具。一个典型的智能轮椅包括一个标准的动力轮椅底座，上面有一台电脑和一组传感器，如视觉、惯性等，底座上还有一个座位。

这些传感器采用MEMS技术制造，基于这些传感器的轮椅导航系统采用不同的工作模式。

人员跟踪与导航

基于MEMS的惯性传感器在人员跟踪领域是比较受欢迎的。在没有gps的环境中，这些传感器提供人员的定位信息。这些应用包括消防人员在建筑物内，军队人员跟踪等。

加速度计、航位推算传感器和陀螺仪传感器用于消防人员的安全。为了防止军队人员跟踪，这些传感器被嵌入到人员的鞋子或头盔中。

农业

基于MEMS的传感器在精密农业中具有重要的应用价值。智能系统对于提供关于土地的精确信息是必要的，以便在杀虫剂、化肥的应用、作物的土地准备和收获方面发挥作用。基于MEMS的倾斜传感器可与GPS系统结合使用，获得机械平台的横摇和俯仰估计。

事件数据记录仪

事件数据记录仪(edr)用于收集车辆加速/减速数据、制动和转向输入以及车辆系统状态等信息。此外，它还监测速度、刹车和安全系统。EDR中使用的传感器包括角速度传感器、线加速度计、三轴线加速度计。

野生动物和牲畜追踪

针对动物的连续定位和习惯性信息，采用了带有惯性传感器的动物跟踪系统。这些跟踪装置除了惯性航位推算传感器外，还包括用于研究视觉辅助的数码相机。

GPS系统和惯性传感器与用于监测牲畜移动的无线传感器网络集成在一起。

病人监护

基于mems的传感器在医疗应用和患者监护中非常受欢迎。这些传感器非常适合监测癫痫，因为它们可以用于量化运动的频率、强度和持续时间。此外，MEMS加速度计还用于检测高危患者或老年患者因失去控制而摔倒。

电子稳定控制

一般来说，所有新车都配备了电子稳定控制系统。基于MEMS的陀螺仪和加速度计可以通过比较车辆的实际运动和转向角来检测车辆的打滑或失去控制。

二次约束系统

该系统也适用于车辆。辅助(二次)约束系统(SRS)由减速或加速传感器组成，在正面碰撞的情况下，它会导致安全气囊展开。这种类型的系统传感器模块由MEMS加速度计和微处理器组成。

车辆导航

对于精确的陆地车载测量或导航系统，需要一个带有GPS的内部导航系统。但由于其巨大的体积和高昂的成本，这些都是有限的。

低成本MEMS惯性传感器可生产体积小、重量轻、功率小、成本低的芯片型传感器，可用于陆地车辆导航和跟踪系统。

不同的MEMS传感器

利用微细加工和微细加工技术或仅仅是MEMS技术制造的传感器被称为MEMS传感器或微传感器。大多数MEMS器件都属于传感器类。

随着MEMS传感器的发明，导致取代更昂贵和笨重的产品，这些产品是由组装零件制成的，就像压力传感器一样。

此外，运动检测和测量通过MEMS加速计变得更容易和非常准确，这是更广泛用于安全气囊系统的碰撞传感器。以下是一些常用的MEMS传感器，它们用于不同的应用。

MEMS加速度计

这些是用来测量静态或动态加速度。加速度计的主要类别包括硅电容式、压阻式和热式加速度计。在压电效应的情况下，产生的电压对应于作用在传感器的微观晶体结构上的加速度。

电容式传感器的工作原理是产生静电场，并在物体或目标接近敏感区域时检测静电场的变化。在热MEMS传感器中，大量微小的热电偶串联在一起。

如今，MEMS加速度计已广泛应用于许多便携式电子设备，如媒体播放器、摄像机、游戏设备等。在智能手机中，这些传感器用于在横向和纵向模式之间转换，图像稳定，反模糊捕捉，口袋模式操作等。

高标准加速度计用于检测车祸，并在适当的时间展开安全气囊。此外，在航空航天和军事系统应用的控制和监测中也发现了这些。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪用于探测和测量物体的角速度。这些是关于振动物体旋转的原理的著作。这些是非常微小的传感器，其中一个小的共振质量随着角速度的变化而变化，当陀螺旋转时。

此外，这种运动被转换成低电流信号。与加速度计类似，这些传感器也采用不同的传感原理，如硅电容式、压阻式等。MEMS陀螺仪的一些类型包括音叉、共振体、振动轮、振动板陀螺仪。

这些是航空控制系统的组成部分，因为导航系统需要高度和转速。在军事应用中，它们被用于导弹导航、制导和智能弹药。

在汽车中，MEMS陀螺用于汽车的稳定性控制，带有方向盘传感器和侧翻检测。在消费者应用中，这些被用于输入设备的计算机控制和凸轮记录器的稳定。

MEMS压力传感器

MEMS压力传感器测量横跨硅膜片的压差。三种类型的压力测量，如压力表，绝对压力和差压可以使用这些传感器。

在这些传感器的设计中，膜片是用微加工工艺在硅上蚀刻而成的，测量技术包括压阻和电容技术。该传感器与膜片和集成芯片上的一组电阻集成在一起，因此当薄膜弯曲时，电阻的变化会检测到压力。

它们用于汽车、工业、医疗、过程控制、国防和航空航天应用。特别是在汽车系统中，这些被用于各种应用，如轮胎压力监测系统，油压传感，油箱蒸气压力，真空制动助力器，废气再循环，发动机管理系统，碰撞检测等。

其他类型的MEMS器件或传感器包括红外传感器，地磁传感器，麦克风，光学器件，RF MEMS，湿度传感器，微光谱仪，移相器，悬臂传感器等。

MEMS磁场传感器

磁场传感器广泛用于测量磁场，其应用包括位置传感、电流检测、速度检测、车辆检测、地球物理勘探、空间探测等。利用MEMS技术研制了一类新型磁传感器。

基于MEMS的磁传感器通过测量机械洛伦兹力的幅值来检测磁场矢量。该MEMS器件由一个在SiO2板上的电流回路和一个多晶硅压电电阻惠斯通桥检测力的幅值组成。

微结构机械运动的传感可以用光学或电子两种方法来实现。在电子检测方法中，采用静电感应法和压阻法。在光学检测中，采用激光光源或LED光源进行位移测量。

共振磁传感器

这种类型的磁传感器可以检测灵敏度高达1T的磁场，也有1nT的最大可实现分辨率。这些传感器是基于共振微加工结构的洛伦兹力。谐振传感器的结构是由固定-固定/固定的自由梁、弯曲/扭转板或其阵列集成的。

这些结构在它们的共振频率被洛伦兹力或静电力激发。这个力增加或改变共振结构的位移;此外，这可以通过压阻、光学和电容传感技术来测量。

这些器件使用MEMS技术制造，体积小，由一个芯片上的电子和机械组件集成。这种MEMS谐振磁场传感器能够给出放大响应，如果激励源的频率等于结构的谐振频率或振动模态。

上图为在板梁结构上有高光的谐振磁场微传感器的设计。在上图中，沉积在硅板上的一个矩形铝环是这个传感器的主要元件。

该结构由连接到硅衬底的两个无夹紧的微梁制成。对于压电电阻连接到惠斯通电桥，其中两个是有源的，放置在微梁上，另外两个是无源的，沉积在基板上。

无源压电电阻的阻值是固定的，而有源压电电阻的阻值会发生变化。

因此，当洛伦兹力引起微板上的see saw运动和微梁弯曲时，两个有源压电电阻改变其电阻值。这种电阻的变化在惠斯通电桥的输出端产生电压。因此，外部磁场的大小可以通过惠斯通电桥的输出电压来测量。

这些基于MEMS的谐振传感器可以用光学传感和电容传感技术实现。采用光学读出的谐振式传感器不仅减少了电路和重量，而且提高了对电磁干扰的抗扰能力。

然而，这需要复杂的制造工艺，同时也存在着传感器结构缺陷的固有损耗和固有损耗的问题。在电容式传感的情况下，这些传感器在连接的引线中受到寄生电容的影响，使信号测量复杂化。

磁通门传感器

磁通门传感器用于测量直流或低频交流磁场，与其他磁传感器相比具有高分辨率和超高灵敏度等优点。

与传统磁通门传感器相比，基于MEMS的微磁通门传感器具有体积小、功耗小、批量生产、性能更好等先进特点。

这些应用在空间研究、地球物理、矿产勘探、自动化、工业过程控制、科学研究等许多领域。

磁通门传感器的原理是基于铁磁材料的外磁场周期性饱和。当一个铁磁材料被一个励磁线圈(提供交流励磁电流)包围在磁场中时，这个电流周期性地以两倍于励磁频率的频率饱和铁芯的磁性材料。

输出的二次谐波可以用锁相技术测量，并且在一定的场范围内与外部场成正比。

上图为Zorlu等人在2007年报道的基于MEMS的正交磁通门传感器设计。据此，磁通门传感器是基于微加工的正交型平面结构，该结构是由电沉积在矩形铜导体上的烫金合金层形成的。

与此传感器，核心只有1毫米的长度和传感器有两个平面60转拾取线圈。