MEMS传感器原理及工业应用

MEMS传感器即微机电系统（Microelectro Mechanical Systems），它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，是最具广阔应用前景的传感器之一。目前应用在工业领域的MEMS传感器主要包括微型压力传感器、加速度传感器、数字微镜传感器、微流量传感器等，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，在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。

硅氧化物绝缘体压力传感器的原理与应用

硅氧化物绝缘体(SOI)压力传感器是一种新型的MEMS压力传感器，它比扩散硅压力传感器具有更高的工作温度，比多晶硅高温压力传感器具有更高的灵敏度，这主要得益于它用单晶硅材料和SOI结构作应变电阻，单晶硅材料压阻系数高，并且具有相当高的纵向和横向灵敏度因子，因此有利于设计性能优良的压阻电桥，保证传感器有很高的灵敏度和温度特性。

设计制作单晶硅SOI压力传感器的基本原理是硅单晶的压阻效应，SOI材料的压阻效应是压阻式压力传感器实现压力测量的物理基础，即SOI材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化的物理现象，使得主要晶向的压阻效应与压阻系数张量形成统一的关系。

当单晶硅结构不受应力时，对于长度为了l0 ，横截面积为s0电阻率为，电阻率为ρ0的样晶，其电阻与电阻率为：

对上式进行全微分，可以求得长度、横截面积和电阻率二个参数的变化对电阻值变化的影响，用相对变化率表示为:

式中，为纵向相对变化率，称为纵向应变ε ，它与应力δ 成正比，因此有：δ = εE

式中：E——材料的杨氏模量；

若样晶的截面半径为r0 ， 则横向应变为：


横向应变与纵向应变的比值为材料泊松比υ ，由于形变过程中，纵向应变的变化趋势与横向应变相反，故二者的比值应取负号，即:





根据该原理制成的SOI压力传感器应用最广泛的莫过于工业电子称重系统（图1），同时作为各种工业过程中物料流动的在线控制工具显得越来越重要。电子称重系统既能组合在产品制造过程中优化生产，提高产品质量，又能把有关生产过程中物料流动的数据加以采集并传送到数据处理中心，作为在线库存控制和财务结算之用。

图1. MEMS传感器在称重系统中的应用

在称重的过程自动化控制中，要求压力传感器不仅能感知重力信号，而且其性能必须可靠、动态响应性要好、抗干扰性能要好;压力传感器提供的信号经检测系统可以直接显示、记录打印、存储或用于反馈调节控制。

图2. 加速度传感器的工作原理

通过集成技术将压力传感器与测量线路集成在一起，使得整个装置的体积大大减小；另外屏蔽技术的发展，也将使得称重压力传感器的抗干扰能力得到保障，使得称重过程的自动化控制程度进一步得到提高。

电容式加速度传感器的原理与应用

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的MEMS传感器，

其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度)，还可以进一步测出压力。

电容式加速度传感器从力学角度可以看成是一个质量—弹簧—阻尼

系统，加速度通过质量块形成惯性力作用于系统，如图2所示。

根据牛顿第二定律,对于该力学模型,可以列写出下列二阶微分方程

将上式进行零初始条件下的拉普拉斯变换,得


由此可得以加速度作为输入变量 ，质量块相对壳体位移 为输出变

量；传递函数为


可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为

可见,如果将传感器的壳体固定在载体上,只要能把质量块在敏感轴方向相对壳体的位移测出来,便可以把它作为加速度的间接度量。由上式可见，传感器无阻尼自振角频率为

传感器阻尼比为


从上式可以看出，当处于常加速度输入下的稳态时，其质量块相对壳体位移趋于如下稳态值：


由上式可见， 质量块越大，弹性系数越小， 即系统无阻尼自振角频率越低， 则电容式加速度传感器灵敏度越高。稳态灵敏度为：


加速度型MEMS传感器主要应用在旋转机械的振动检测。如在机组运行时，可利用趋势图来显示、记录机器的通频振动、各频率分量的振动、相位或其它过程参数是如何随时间变化的（图3）。

图3 振动趋势图

这种图形以不同长度的时间为横坐标，以振幅、相位或其它参数为纵坐标。在分析机组振动随时间、负荷、轴位移或其它工艺参数的变化时，这种图给出的曲线十分直观，对于运行管理人员来说，用它来监视机组的运行状况是非常有用的。