MEMS传感器即微机电系统（Microelectro Mechanical Systems），是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。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，具有广阔的应用前景。

截止到2010年，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。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，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。

MEMS传感器应用

1.应用于医疗

MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。
通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。
基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。

2.应用在汽车电子

MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥
应用在汽车中的MEMS传感器
方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是MEMS微加速度计中的主流产品。微陀螺仪是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪，它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道，通常，它与低加速度计一起构成主动控制系统。

3.应用于运动追踪系统

4.应用在手机拍照领域

MEMS传感器研究现状

1、微机械压力传感器

2、微加速度传感器

3、微机械陀螺

4、微流量传感器

5、微气体传感器

6、微机械温度传感器

7、其他微机械传感器

MEMS传感器的类别：

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。它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、技术附加值高, 适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。MEMS 传感器和IC芯片最大的区别在于：MEMS 是可动结构，利用微纳加工技术同时加工出机械结构和电路系统。如图1中所示，是目前市场中常见的一些MEMS传感器，并且随着MEMS传感器的不断发展，还出现了许多从前没有的MEMS传感器，如流体黏度传感器，密度传感器等等。

图1 MEMS传感器的分类[1]

MEMS传感器的市场规模与发展

自2015年开始MEMS传感器市场规模稳步提升[2]，产品需求大幅增加，在物联网的发展和智能终端领域也得到广泛应用，传感器产品需求大幅增加，重心逐渐转向技术含量较高的MEMS传感器领域。在 MEMS 传感器应用前景良好和国产化进程提速背景下，未来我国 MEMS 传感器市场前景广阔。前瞻产业研究院结合之前的发展数据预测，未来几年我国MEMS传感器市场规模年均增速保持在15%左右，预测到2025 年我国 MEMS 传感器市场将达到 1488.6 亿元[3]。

图2：2015—2020年MEMS传感器市场规模[2]

图3：2020-2025年中国MEMS传感器行业市场规模预测[3]

常见的MEMS传感器

以手机和汽车为例，根据博世的统计数据表示，2021年，一部5G手机大概消耗20个MEMS传感器，一辆汽车，大概消耗50个以上MEMS传感器，其中加速计、压力传感器、陀螺仪的应用合计占比超过95%，接下来，对这些常见的MEMS传感器进行一个简单的介绍

（1）.MEMS压力传感器

压力传感器作为MEMS的头号传感器，在市场中占有巨大的份额，MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时会产生变形，常常通过压阻或者电容的形式将形变转化为电信号，再经过过转换元件和转换电路，输出与压力成线性关系的电流或者电压信号。压阻式和电容式这两种方法都很流行，在工艺和性能上，压阻式工艺复杂，温度特性较差，电容式除了具有低温度系数，零静态功耗等优势，还具有灵敏度高、线性度好、后续处理电路易于设计等优点，此外，除了电容式和压阻式外，还有谐振式压力传感器等其他工作原理的MEMS压力传感器。MEMS压力传感器的应用领域包括:汽车、医疗和工业等，典型的应用比如：汽车的胎压监测

（2）.MEMS加速度传感器

加速度传感器的原理随其应用而不同，有压阻式，电容式，压电式，谐振式等。已压阻式MEMS加速度传感器为例，其制作方法，是通过注入、推进、氧化的创新工艺来制作压敏电阻；采用KHO各向异性深腐蚀来形成质量块；并使用AES来释放梁和质量块；最后利用键合工艺来得到所需的“三明治”结构[4]。

图4：MEMS压阻式加速度传感器结构[4]

（3）MEMS陀螺仪

微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，已被证明可以用微机械加工技术大批量生产，一般的微机械陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成，有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。MEMS陀螺仪常用于汽车旋转速度的测量，与加速度传感器一起组成主动控制系统。

（4）.MEMS黏密度传感器

黏密度作为流体的重要特性，描述了流体的流动特性和质量关系，目前市面上的黏密度计，主要针对的应用领域包括：实验室测量，流体粘度、密度、浓度、质量监测/测量等，比较典型的包括：燃油质量监测，食品包装气监测，焊接气体浓度监测，医药生产链的材料流体密度、浓度监测等等，与传统的黏度测量方法（毛细管法、落球法和旋转法等）和密度测量方法（气量计、比重瓶和浮力法等）不同，MEMS黏密度传感器常用的测量原理是采用谐振式的微悬臂梁结构，通过让流体与悬臂之间发生谐振，利用谐振频率与流体粘密度间关系，结合转换模块，将流体的黏密度数据转换为数字信号。（图为MEMS黏密度传感器的芯片）

图5：MEMS黏密度传感器芯片，其长宽小于10mm x 10mm

参考文献：

[1]王淑华. MEMS传感器现状及应用[J]. 微纳电子技术,2011,48(08):516-522.

[2]韩允. MEMS传感器的发展概况[J]. 电子产品世界,2019,26(01):4-8.

[3] 本土传感器产业现状、挑战与建议 作者：李晨光

https://www.eefocus.com/sensor/462503?utm_source=zhihu&utm_medium=cpc&utm_campaign=zhihu20200306

[4] MEMS加速度传感器的原理与构造介绍 传感器技术

http://m.elecfans.com/article/596137.html
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