基于MEMS的传感器

在21世纪，MEMS技术通过硅基微电子学和微加工技术的结合，已经显示出其革命性的消费和工业产品的潜力。与现有的微观机电传感器相比，MEMS技术提供了显著的优势。

MEMS指的是具有从几微米到毫米到毫米的尺寸非常小的装置，该装置与机械和电气部件相结合的毫米，并且使用集成电路批处理技术制造。

MEMS器件能够在微尺度上进行感知、控制和驱动，并在微尺度上产生结果。一般来说，这些装置的尺寸范围为20微米到1毫米。MEMS设备被发现在各种各样的应用，包括工业，汽车，仪器仪表，国防和医疗领域。

什么是MEMS技术？

MEMS代表微电子机械系统，是一种用于单晶片上的电气和机械部件的微制造的技术。该术语在20世纪90年代起源于美国，也称为欧洲的微型系统，并标记为日本的微机器。

在此之前，这种技术被称为硅微加工。MEMS技术提供了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，其中机械部件和微传感器以及信号调节电路在一小块硅上制造。MEMS首字母缩略词中的字母S表示反映该技术的系统有助于创建新系统解决方案。

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环境的变化，而这些物理变量由微电子处理，然后通过微电子处理，然后微型致动器根据环境的变化作用。

• 一些主要因素导致对MEMS技术的高度兴趣是
• 由于硅含量为99.999％的纯晶体结构，MEMS器件提供了出色的机械特性，导致没有机械滞后或材料疲劳。
• 可以生产具有批晶片加工技术的低成本和大容量MSME器件。该高批量生产具有非常方便的切削刃IC加工设备。
• 极大地控制向亚微米水平的横向尺寸。
• 用于测试和诊断的复杂设备的可用性，以及用于设计和仿真的高端软件系统。
• 在业务方面，MEMS设备向多个新兴市场确保大型财务收益。MSME被选为1999年营业周提高21世纪经济增长的三种技术之一。

MEMS技术制造

MEMS进度是由于硅革命的逻辑步骤，后来添加了微机器，允许电子设备与机械部件的集成，以产生高性能，低成本和高功能集成的微系统。

硅是用于制造微传感器和微型致动器的完美材料，用于不同的应用范围，因为它是具有高导热率，滞后，低散装膨胀，明确定义的电气性质的良好特征的材料，具有敏感的滞留性，具有敏感的菌株，温度，应力和其他环境因素，钢的类似弹性模量等。

在MEMS制造中，硅可以化学蚀刻成各种形状和相关的薄膜材料，例如聚硅，铝和氮化硅可以是微型加工成多种机械形状和配置。

各种技术可用于MEMS制造，通常采用两种主要技术是散装微加工和表面微加工。让我们简要讨论这两个人。

散装微型机械加工

这是MEMS制造中使用的最古老和最流行的技术。在这种方法中，通过使用定向刻蚀法选择性地去除部分晶圆材料，在单晶硅晶圆的边界内创建了机械结构。根据蚀刻剂的相，本体微加工可分为湿法蚀刻和干法蚀刻。

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液中来去除材料。蚀刻(除去晶圆材料)既可以是各向异性的，也可以是各向同性的，也可以是两者的组合。

在各向同性蚀刻中，硅片根据衬底的晶体取向在所有独立的方向上被除去。

这样，结构定义的准确性不是很好，但取决于温度，蚀刻剂浓度和时间等因素。HNA是最常见的硅蚀刻形式，其包括硝酸（HNO3），氢氟酸（HF）和乙酸（CH3CHOOH）的组合。

这些类型的蚀刻剂受到要蚀刻的几何结构的限制。蚀刻速率会变慢，在深度和狭窄通道的情况下，由于扩散限制因素，蚀刻速率会停止。然而，这可以通过腐蚀液的搅拌最小化，导致结构具有近乎完美和圆形的表面，如下图所示。

在各向异性蚀刻中，蚀刻速率取决于晶片的晶体取向。最常见的各向异性腐蚀剂是氢氧化钾(KOH)，使用起来比较安全。

该各向异性蚀刻在垂直于110平面垂直于110平面的晶体方向上迅速发展，并且在垂直于100平面的方向上较快。上述图C和D显示了各向异性蚀刻的示例。

干蚀刻依赖于等离子体和蒸气蚀刻方法，通常在高温下使用适当的反应性蒸气或气体。反应性离子蚀刻(RIE)是MEMS中最常见的一种，它利用RF(射频)功率形式的额外能量来驱动化学反应。

蚀刻可以在低得多的频率下发生，通常在150 - 250摄氏度范围内，因为高能离子在等离子体相内加速向要蚀刻的材料提供反应所需的额外能量。

由于RIE不受硅中的晶体平面限制，可以蚀刻具有垂直壁的深沟槽和凹坑或具有垂直壁的任意形状。

深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)是一种高纵横比的方法，涉及到高密度等离子体蚀刻和保护聚合物沉积的替代工艺，以实现更大的纵横比，如图所示。

蚀刻停止方法被开发来停止蚀刻过程在一个精确的位置。其中一种方法本质上是电化学的，它基于这样一个事实:在偏置pn结中，蚀刻在遇到不同极性区域时停止。

另一种技术是基于重掺杂区域的刻蚀比未掺杂区域的刻蚀慢，因此可以通过掺杂材料的一部分选择性地进行刻蚀过程。

表面微加工

它是通过沉积，图案化和蚀刻通常在1-100μm厚的范围内的薄膜序列来产生MEMS的方法。

与散装微加工相比，表面微加工通过沉积牺牲层和结构层的薄膜来构建硅表面上的结构，并且最终通过去除牺牲层来形成机械结构。

因此，这个过程通常涉及两种不同材料的薄膜。由一种结构材料制成的独立式结构一般是多晶硅、多晶硅、氮化硅和铝。并且在需要通常为氧化物的开放区域或独立机械结构的地方沉积牺牲材料。

下图显示了表面微加工中所需的过程，其示出了具有中央轨道的多晶硅滑块的简化制造。该设计需要两层结构聚硅和牺牲氧化物。

图A示出了第一牺牲氧化物层以及第一多晶硅层的沉积和图案化已经完成。图B和C显示了通过氧化物的锚固开口的自由蚀刻将第二牺牲氧化物层沉积在一起。

下一步骤是第二多晶硅层的沉积和图案化，然后除去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光刻技术的局限性外，不受器件小型化的限制。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创建。

此外，表面微型机械加工提供高度兼容性与IC加工。但表面微加工的主要缺点是它是薄膜技术，它产生基本的二维结构。

MEMS技术的应用

基于MEMS的设备或传感器是各种学科领域的重要组成部分，如医疗设备，汽车电子和便携式电子产品，如计算机外围设备，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，电动轮椅是重要的工具。典型的智能轮椅由标准电源轮椅组成，电脑和电脑和一系列传感器，如视觉，惯性等。座椅放在基座上。

这些传感器采用MEMS技术制造，并基于这些传感器轮椅导航系统采用不同的操作模式。

人员跟踪与导航

基于MEMS的惯性传感器在人员跟踪领域越来越受欢迎。在没有gps的环境中，这些传感器提供有关人员的定位信息。这些应用包括大楼内的消防人员、军队人员跟踪等。

加速度计、航迹推算传感器和陀螺仪传感器用于消防人员的安全。为了便于军队人员追踪，这些传感器被嵌入到士兵的鞋子或头盔中。

农业

基于MEMS的传感器在精密农业方面非常有用。智能系统对于提供有关土地的精确信息，使其在应用杀虫剂，肥料，土地准备对作物和收获的情况下是有用的。基于MEMS的倾斜传感器可以与GPS系统一起使用，以获得机械平台的卷和间距估计。

事件数据记录器

机动车辆中使用的事件数据记录器（EDRS）收集车辆加速/减速数据，制动和转向输入和车辆系统状态的信息。此外，它监控速度，制动器和安全系统。EDR中使用的传感器包括角速率传感器，线性加速度计，三轴线性加速度计。

野生动物和牲畜跟踪

对于有关动物的连续定位和习惯性信息，动物跟踪系统与惯性传感器一起使用。这些跟踪单元包括除惯性死读数传感器之外的用于视觉解力的数码相机。

GPS系统和惯性传感器与部署以监测牲畜运动的无线传感器网络集成。

患者监测

基于MEMS的传感器在医疗应用和患者监测中非常受欢迎。这些传感器非常适合监测癫痫，因为它们可用于量化运动的频率，强度和持续时间。此外，MEMS加速度计用于检测失去控制的高风险或老年患者的下降。

电子稳定性控制

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度来检测车辆的打滑或失去控制。

二级约束系统

该系统也用于车辆。补充（二次）约束系统（SRS）包括减速度或加速度传感器，其导致在正面碰撞的情况下展开安全气囊。这种类型的系统传感器模块由带有微处理器的MEMS加速度计组成。

车辆导航

对于准确的土地车辆的测量或导航系统需要具有GPS的高内部导航系统。但由于大小和高成本，这些受限。

低成本MEMS惯性传感器采用较小，重量轻，功率，低成本芯片的传感器可靠，对陆路车辆导航和跟踪系统可靠。

不同的MEMS传感器

使用微型加工和微加工技术制造的传感器或者只是MEMS技术被称为MEMS传感器或微传感器。大多数MEMS设备落入传感器类。

利用MEMS传感器的发明，导致更昂贵和繁琐的产品，该产品由组装部件制成，如压力传感器的情况。

此外，运动检测和测量变得更容易，并且具有MEMS加速度计的更容易，非常准确，这更普遍地用作气囊系统的碰撞传感器。以下是一些常用的MEMS传感器，其用于不同的应用。

MEMS加速度计

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

电容式传感器的工作原理是产生静电场，并检测物体或目标接近传感区域时产生的电场变化。对于热MEMS传感器来说，大量的微小热电偶是串联连接的。

如今，MEMS加速度计广泛地结合在如此多的电子便携式设备中，例如媒体播放器，凸轮记录器，游戏设备等。在智能手机中，这些传感器用于在景观和纵向模式，图像稳定，防模糊，袋模式之间过境。操作等

高标准加速度计用于检测车祸，并在合适的时间展开气囊。此外，这些目的是在控制和监测航空航天和军事系统应用中。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪用于检测和测量物体的角度率。这些是振动旋转的原则的工作原理。这些是非常微小的传感器，其中当陀螺仪旋转时，小谐振质量随着角速度而变化。

此外，该移动被转换为低电流信号。与加速度计类似，这些传感器还在硅电容，压电等等不同的传感原理上工作。一些类型的MEMS陀螺仪包括调谐叉，谐振固体，振动轮，振动板陀螺仪。

由于导航系统需要高度和旋转速率，因此这些是航空控制系统的组成部分。在军事应用中，这些用于导弹导航，指导和智能弹药。

在汽车中，MEMS陀螺仪用于车辆稳定性控制，方向盘传感器和翻转检测。在消费者应用中，这些应用于计算机和凸轮记录器稳定的输入装置控制。

MEMS压力传感器

MEMS压力传感器测量通过硅膜片的压力差。三种类型的压力测量，如压力表，绝对压力和差压，这些传感器是可能的。

在这些传感器的设计中，膜片是用微加工工艺从硅上蚀刻而成，测量技术包括压阻和电容技术。该传感器集成了膜片和集成芯片上的一组电阻，这样当膜片弯曲时，就可以检测到阻力的变化。

它们被用于汽车、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，它们被用于各种应用，如轮胎压力监测系统、油压传感、油箱蒸气压、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设备或传感器包括红外传感器、地磁传感器、麦克风、光学设备、射频MEMS、湿度传感器、微型光谱仪、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、物探、空间探测等。利用MEMS技术开发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度来检测磁场矢量。该MEMS器件包括在SiO 2板上的电流回路组成，并且用多晶硅压电电阻麦斯通桥检测力幅度。

微结构机械运动的传感可以用光学或电子方式进行。在电子检测方法中，有静电感应法和压阻法。在光学检测中，采用激光或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到磁场，灵敏度可达1T，最大可实现分辨率为1nT。这些传感器是基于谐振微机械结构的洛伦兹力。谐振传感器中使用的结构由夹紧-夹紧/自由夹紧梁、弯曲/扭转板或它们的阵列组成。

这些结构通过Lorenz力或静电力以其共振频率激发。该力增加或改变谐振结构的位移;此外，这可以用压电，光学和电容式传感技术测量。

这些器件使用MEMS技术制造，并且小尺寸，包括在单个芯片上集成电子和机械部件。如果具有等于结构的谐振频率或振动模式的激励源，则这种MEMS谐振磁场传感器能够提供放大的响应。

上图显示了板束结构上具有突出显示的谐振磁场微传感器的设计。在上图中，沉积在硅板上的铝矩形环是该传感器的主要元件。

该结构由两个夹紧的微束制成，该微束连接到硅衬底。对于压电 - 电阻连接到惠斯通桥，其中两个具有放置在微光束上的两个有效，并且其他两个是沉积在基板上的无源压电电阻。

无源压电电阻具有固定值电阻，而活性压电电阻可以换档它们的电阻幅度。

因此，当Lorenz力引起在微板上的锯运动和微光束的弯曲时，两个有源压电电阻改变它们的电阻值。电阻的这种变化会在惠斯通桥的输出处产生电压。因此，通过惠斯通桥的输出电压测量外部磁场的大小。

这些基于MEMS的谐振传感器可以用光学感测和电容传感技术实现。具有光学读数的谐振传感器不仅可以减少其电路和重量，而且增加了对EMI的免疫力。

然而，这些要求复杂的制造过程，也提出了问题，由于固有损失的结构缺陷的传感器的固有损失。在电容传感的情况下，这些传感器在连接引线中存在寄生电容，使信号测量复杂化。

浮雕传感器

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分辨率高、灵敏度高等优点。

与传统的浮雕传感器相比，基于MEMS的微磁通栅极传感器具有更小的尺寸，功耗更少，批量生产，性能更好，性能更好，等等。

这些用于许多应用中的空间研究，地球物理，矿物勘探，自动化，工业过程控制，科学研究等应用。

磁通门传感器的原理是基于铁磁材料的外磁场依赖性周期性饱和。当铁磁材料被一个励磁线圈(提供交流励磁电流)包围在一个磁场中，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。

该输出的第二次谐波可以通过使用锁定技术来测量，并且与特定场范围的外部场成比例。

上图显示了由Zorlu等人在2007年报道的基于MEMS的正交磁通件传感器设计。根据此，浮动传感器基于通过沉积在矩形铜导体上的钙合金层电镀形成的微机加工正交式平面结构。

通过该传感器，芯长度仅1毫米，传感器有两个平面60转拾取线圈。