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[摘 要]对纳米技术的不断探索推进了MEMS传感器的发展，它比传统的传感器更加有优势，在以后的发展中也将会有很好的前景，各国家也纷纷加入了对其研发中。本文分析了MEMS传感器的技术特点，分析了当前的几种典型的传感器和应用，最后预测了MEMS传感器的发展前景。
[关键词]纳米技术；MEMS传感器；发展
中图分类号：TH-39；TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0393-01
随着MEMS技术的发展，MEMS传感器性能也在不断提升，并逐渐成为一些发达国家的战略性研究方向之一、MEMS传感器由于具备重量轻、体积小、灵敏度高、功耗低等优点，在很大程度上促进了其微型化、多个功能化、智能化、网络化的发展，正逐步占领传感器市场，并受到各领域的青睐。
一、MEMS技术特点
1.微型化：体积微小是MEMS件最为明显的特征，其芯片的尺度基木为纳米或微米级别。
2.多样化：MEMS的多样化主要表现在其工艺、应用领域以及材料等方面。
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，形成微传感阵列或微系统。
4.尺度相应现象：因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，都需进行更加深入的研究。
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。
6.广义化：MEMS中的“机械”代表着所以能实现能量转化与传输功能的效应，而不是单一的机械力学内的机械，如力、热、光、生物、化学等。
二、当前的MEMS传感器和应用
（一）MEMS加速度计
MEMS加速度计，顾名思义，即是用来测量物体加速度的仪器，MEMS加速度计即为微型加速度计，同传统加速度计相比，其具有体积更小、质量更小的特点。根据测量原理，可分为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。
1.压阻式微加速度计
压阻效应：在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时，其电阻率产生变化的现象。
工作原理：当外界有加速度输入时，由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用，悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变，并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变，由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变，进而压阻膜两端的电压值发生变化，从而可以通过实验得到一系列电压与作用的惯性力的关系，而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关，从而便可以得到电压与加速度的关系，进而完成对加速度的测量。
优点：①原理结构简单，传感器制作容易。
②接口和内部电路容易实现。
缺点：①对于温度的变化十分敏感，会影响测量精度。②灵敏度比较低，不便于测量微小的加速度变化。③蠕变和迟滞效应比较明显。
2.电容式微加速度計
基本原理：由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关，因此距离的变化可以通过电容的变化来测量，由电容变化得到位移变化，再进行微分运算便可完成加速度的测量。
工作原理：将质量块固连在基体上，并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连，另一个极板则与固定的基体固连。当有加速度作用时，质量块发生位移，上下电容发生变化，可以得到电容变化差值，进而得到加速度。
优点：①灵敏度和测量精度高。②稳定性好。③温度漂移小。④功耗极低。⑤过载保护能力较强。
缺点：①读出电路复杂。②易受寄生电容影响和电磁干扰。
3.压电式微加速度计
压电效应：一些电介质在受到外界的作用而发生形变时，在电介质的内部会发生极化，与此同时，在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，而当作用在电介质表面的力的方向发生了改变，则极化出的电荷的极性也会发生改变，这种现象称为压电效应。
工作原理：在弹性梁上覆盖一层压电材料膜，当有外界加速度作用于质量块时，在惯性力的作用下，弹性梁会因受到外力而产生变形，由于压电效应原理知，器件结构的上电极和下电极间会产生电压，由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式，得到加速度的变化，进而完成对加速度的测量。
优点：①结构比较简单。②容易测量。
缺点：①很难测量常加速度。②温度系数较大。③器件的线性度不够好。④压电材料价格比较昂贵。
（二）微压力传感器
直到目前为止，微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广泛，影响最为深远的微传感器。根据不同的分类方式，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等，同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。
航空航天器在飞行的过程中，由于外界环境条件十分复杂，飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响，因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测，防止其超出材料所能承受的极限，同时在飞行器的发动机内部，不同的压力条件下发动机的工作性能会产生很大的不同，甚至在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作，因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要，利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。
（三）微气体传感器
目前大气污染现象日趋严重，PM2.5成为人们关心的话题，发展各种不同性能的气体传感器也成为各国政府所重视的问题，微气体传感器应运而生。根据微气体传感器制作材料的不同，微气体传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。微气体传感器由于可以集成各种传感器于一块芯片，其便满足了人们在测量气体时多种测量的需要。因此在测量气体的时候，还需要对温度进行测量，以确定传感器适用的计算公式。目前微机械制造技术发展比较完善，微纳米技术的发展更是让一个芯片可以完成很多不同的功能，将气敏传感器同温度传感器集成到同一个芯片之上，便可以在测量气体的同时测量温度，保证气体测量的准确性。
（四）微温度传感器
目前已开发的微悬臂梁温度传感器，利用了硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的不同。在不同的温度下，硅和二氧化硅的形变量不同，使得与其固连的悬臂梁的不同部分的形变量也不相同，而其形变可通过位于悬臂梁底部的检测电路来进行测量。通过测量在不同温度下的不同形变，便可确定温度与形变的对应关系，进而便可以通过形变来确定温度。
三、MEMS传感器发展方向
（一）无源化
在物联网时代，网络化的测控系统往往需要用到无线MEMS传感器，作为将非电量转化为电量的传感器，电源是关键点。利用能量收集芯片收集太阳能、风能等其他能源，再将其转换为电能为传感器提供电源，无线传感模块与能量收集技术的结合将使MEMS传感器实现无源化。
（二）材料多样化
随材料合成技术的发展以及制造工艺的多样化，研究人员将氧化锆功能陶瓷、软磁薄膜和薄带材料、光纤材料、生物材料等新型材料用于制造MEMS传感器，传感器的制造材料将更加多样化。
（三）微型化
可佩戴技术、便携式设备越来越要求传感器的小型化，纳米技术、集成化技术以及封装技术的研究发展将推进MEMS将实现更小的封装。
四、结束语
当前微纳米技术的提高，促使传感器向着微型化不断发展。利用MEMS技术制造出来的传感器集低成本和易生产等优点为一体，越来越被世界各国重视，很多国家也开始投入重金发展微型传感器。虽然目前已经开发出的微型传感器还存在灵敏度低、工作区窄、精度差等不足，但是相信随着科研的深入，以后的微型传感器会更加完善，呈现出蓬勃的发展生机。
参考文献
[1] 肖应超.MEMS传感器发展现状与应用[J].中国高新技术企业，2016（35）：46-47.
[2] 何炎新，白仲文，余肇勇.传感器介绍及应用[J].科技经济导刊，2016（14）：23.
[关键词]纳米技术；MEMS传感器；发展
中图分类号：TH-39；TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0393-01
随着MEMS技术的发展，MEMS传感器性能也在不断提升，并逐渐成为一些发达国家的战略性研究方向之一、MEMS传感器由于具备重量轻、体积小、灵敏度高、功耗低等优点，在很大程度上促进了其微型化、多个功能化、智能化、网络化的发展，正逐步占领传感器市场，并受到各领域的青睐。
一、MEMS技术特点
1.微型化：体积微小是MEMS件最为明显的特征，其芯片的尺度基木为纳米或微米级别。
2.多样化：MEMS的多样化主要表现在其工艺、应用领域以及材料等方面。
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，形成微传感阵列或微系统。
4.尺度相应现象：因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，都需进行更加深入的研究。
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。
6.广义化：MEMS中的“机械”代表着所以能实现能量转化与传输功能的效应，而不是单一的机械力学内的机械，如力、热、光、生物、化学等。
二、当前的MEMS传感器和应用
（一）MEMS加速度计
MEMS加速度计，顾名思义，即是用来测量物体加速度的仪器，MEMS加速度计即为微型加速度计，同传统加速度计相比，其具有体积更小、质量更小的特点。根据测量原理，可分为压阻式微加速度计、电容式微加速度计、压电式微加速度计。
1.压阻式微加速度计
压阻效应：在一块半导体的某一轴向施加一定的应力时，其电阻率产生变化的现象。
工作原理：当外界有加速度输入时，由理论力学原理得知质量块会受到一个惯性力的作用，悬臂梁在此惯性力的作用下会发生形变，并导致与悬臂梁固连的压阻膜也发生形变，由压阻效应原理知压阻膜的电阻值会发生改变，进而压阻膜两端的电压值发生变化，从而可以通过实验得到一系列电压与作用的惯性力的关系，而作用的惯性力又与外界输入的加速度有关，从而便可以得到电压与加速度的关系，进而完成对加速度的测量。
优点：①原理结构简单，传感器制作容易。
②接口和内部电路容易实现。
缺点：①对于温度的变化十分敏感，会影响测量精度。②灵敏度比较低，不便于测量微小的加速度变化。③蠕变和迟滞效应比较明显。
2.电容式微加速度計
基本原理：由于电容的变化与两极板之间距离的变化有关，因此距离的变化可以通过电容的变化来测量，由电容变化得到位移变化，再进行微分运算便可完成加速度的测量。
工作原理：将质量块固连在基体上，并将电容式微加速度计电容的一个极板同运动的质量块固连，另一个极板则与固定的基体固连。当有加速度作用时，质量块发生位移，上下电容发生变化，可以得到电容变化差值，进而得到加速度。
优点：①灵敏度和测量精度高。②稳定性好。③温度漂移小。④功耗极低。⑤过载保护能力较强。
缺点：①读出电路复杂。②易受寄生电容影响和电磁干扰。
3.压电式微加速度计
压电效应：一些电介质在受到外界的作用而发生形变时，在电介质的内部会发生极化，与此同时，在该电解质的表面会由于极化现象的产生而出现正负相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，而当作用在电介质表面的力的方向发生了改变，则极化出的电荷的极性也会发生改变，这种现象称为压电效应。
工作原理：在弹性梁上覆盖一层压电材料膜，当有外界加速度作用于质量块时，在惯性力的作用下，弹性梁会因受到外力而产生变形，由于压电效应原理知，器件结构的上电极和下电极间会产生电压，由此便可通过测量电压的变化确定数学模型转化公式，得到加速度的变化，进而完成对加速度的测量。
优点：①结构比较简单。②容易测量。
缺点：①很难测量常加速度。②温度系数较大。③器件的线性度不够好。④压电材料价格比较昂贵。
（二）微压力传感器
直到目前为止，微压力传感器仍然是各个领域内应用最为广泛，影响最为深远的微传感器。根据不同的分类方式，MEMS压力传感器可分为压阻式、电容式和谐振式等，同时也可分为圆形、方形、矩形和E形等。
航空航天器在飞行的过程中，由于外界环境条件十分复杂，飞行器的外表面可能受到各种载荷的影响，因此需要对飞行器外表面所受到的压力进行实时监测，防止其超出材料所能承受的极限，同时在飞行器的发动机内部，不同的压力条件下发动机的工作性能会产生很大的不同，甚至在一些极端的条件下压力过大过小会导致发动机停止工作，因此对发动机工作压力的实时监测就显得十分重要，利用微压力传感器则可顺利完成这些工作。
（三）微气体传感器
目前大气污染现象日趋严重，PM2.5成为人们关心的话题，发展各种不同性能的气体传感器也成为各国政府所重视的问题，微气体传感器应运而生。根据微气体传感器制作材料的不同，微气体传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。微气体传感器由于可以集成各种传感器于一块芯片，其便满足了人们在测量气体时多种测量的需要。因此在测量气体的时候，还需要对温度进行测量，以确定传感器适用的计算公式。目前微机械制造技术发展比较完善，微纳米技术的发展更是让一个芯片可以完成很多不同的功能，将气敏传感器同温度传感器集成到同一个芯片之上，便可以在测量气体的同时测量温度，保证气体测量的准确性。
（四）微温度传感器
目前已开发的微悬臂梁温度传感器，利用了硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的不同。在不同的温度下，硅和二氧化硅的形变量不同，使得与其固连的悬臂梁的不同部分的形变量也不相同，而其形变可通过位于悬臂梁底部的检测电路来进行测量。通过测量在不同温度下的不同形变，便可确定温度与形变的对应关系，进而便可以通过形变来确定温度。
三、MEMS传感器发展方向
（一）无源化
在物联网时代，网络化的测控系统往往需要用到无线MEMS传感器，作为将非电量转化为电量的传感器，电源是关键点。利用能量收集芯片收集太阳能、风能等其他能源，再将其转换为电能为传感器提供电源，无线传感模块与能量收集技术的结合将使MEMS传感器实现无源化。
（二）材料多样化
随材料合成技术的发展以及制造工艺的多样化，研究人员将氧化锆功能陶瓷、软磁薄膜和薄带材料、光纤材料、生物材料等新型材料用于制造MEMS传感器，传感器的制造材料将更加多样化。
（三）微型化
可佩戴技术、便携式设备越来越要求传感器的小型化，纳米技术、集成化技术以及封装技术的研究发展将推进MEMS将实现更小的封装。
四、结束语
当前微纳米技术的提高，促使传感器向着微型化不断发展。利用MEMS技术制造出来的传感器集低成本和易生产等优点为一体，越来越被世界各国重视，很多国家也开始投入重金发展微型传感器。虽然目前已经开发出的微型传感器还存在灵敏度低、工作区窄、精度差等不足，但是相信随着科研的深入，以后的微型传感器会更加完善，呈现出蓬勃的发展生机。
参考文献
[1] 肖应超.MEMS传感器发展现状与应用[J].中国高新技术企业，2016（35）：46-47.
[2] 何炎新，白仲文，余肇勇.传感器介绍及应用[J].科技经济导刊，2016（14）：23.