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mems传感器、执行装置等应用领域,关键技术与国内
外发展概况
MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传
感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗
低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同
时,微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能
实现的功能。第一个微型传感器诞生于1962年,至此开启了MEMS技
术的先河。此后,MEMS传感器作为MEMS技术的重要分支发展速度最
快,长期受到美、日、英、俄等世界大国的高度重视,各国纷纷将
MEMS传感器技术作为战略性技术领域之一,投入巨资进行专项研究。
随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展,传感器的微型化、智
能化、网络化和多功能化得到快速发展,MEMS传感器逐步取代传统
的机械传感器,占据传感器主导地位,并在消费电子、汽车工业、航
空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用。
1MEMS传感器及分类
从微小化和集成化的角度,MEMS(或称微系统)指可批量制作的、
集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路,直
至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。微机电系统(MEMS)
是在微电子技术的基础上发展起来的,融合了硅微加工和精密机械加
工等多种微加工技术,并应用现代信息技术构成的微型系统。是20
世纪末、21世纪初兴起的科学前沿,是当前十分活跃的研究领域,
涉及多学科的交叉,如物理学、力学、化学、生物学等基础学科和材
料、机械、电子、信息等工程技术学科。该领域研究时间虽然很短,
但是已经在工业、农业、机械电子、生物医疗等方面取得很大的突破,
同时产生了巨大的经济效益。
2.1MEMS传感器
MEMS传感器是采用微机械加工技术制造的新型传感器,是MEMS
器件的一个重要分支。依赖于MEMS技术的传感器主要有以下技术特
点:
1)微型化:体积微小是MEMS器件最为明显的特征,其芯片的尺
度基本为纳米或微米级别。
2)多样化:MEMS的多样化主要表现在其工艺、应用领域及材料
等方面。
3)集成化:通过MEMS工艺,可以实现对功能、敏感方向不同的
多个传感器的集成,形成微传感器阵列或微系统。
4)尺度相应现象:MEMS芯片尺度的缩小,对原有理论基础带来
了较大影响,如力的尺寸效应、微摩擦学、微构造学、微热力学等,
都需要更加深入的研究。
5)批量化:MEMS器件与微电子芯片相似,可进行大批量生产且
生产成本不高,有利于MEMS产品工业化规模经济的实现。
2.2MEMS传感器典型分类
MEMS传感器按照测量性质可以分为物理MEMS传感器、化学MEMS
传感器、生物MEMS传感器。其中每种MEMS传感器又有多种细分方法,
如微加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式
加速度计;按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支
承方式;按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式;按
控制方式划分,有开环和闭环式。
2MEMS传感器研究现状
MEMS技术最早由年的诺贝尔物理奖得主RichardPfeynman于
1959年提出。1962年桂微型压力传感器问世。1979年Roylance和
Angell开始压阻式微加速计的研制。1991年Cole开始电容式微加速
度计的研制。1998年,美国CSDL设计研制了最早的MEMS陀螺。同
年,Draper实验室研制了另一种形式的MEMS陀螺。
1993年,美国ADI公司采用技术成功实现微型加速度计的商品
化,大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。
20世纪90年代,发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发
展。此后,MEMS技术发展迅速,特别是围绕深槽刻烛技术发展出多
种新型加工工艺。近年美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由
器己经试用,预示着MEMS有一个发展高潮的来临。
近年来,关于无线传感器网络的研究越来越受到重视,节点定位
技术是无线传感器网络的关键问题之一,李建坡、穆宝春等人分析了
无线电的路径损耗模型,建立了基于信号接收强度(Rece
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