MEMS技术在多领域的广泛应用

MEMS的最后一个字母“S”代表系统“System”，MEMS器件常作为一个小型部件用在复杂系统中。从应用领域来看，MEMS技术与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS器件，因此其应用领域十分广泛。MEMS技术因其微型化、多样化、集成化、批量化的特点，在生物医学、军事、航空航天、惯性器件产品等众多领域都得到了广泛应用。下面介绍的两种经典结构的微压力传感器和微加速度计，其敏感原理与传统尺寸的压力传感器和加速度计相同，只是在尺寸缩小要求下的器件微型化。

1）悬臂梁式电容MEMS加速度计

悬臂梁式电容MEMS加速度计的加速度检测部分，由上、下两个固定不动的电极和中间悬臂梁支撑的敏感质量块（动电极）三层结构组成，如图10.11所示。进一步进行力学分析，可将其等效为图10.12所示的质量-弹簧-阻尼系统，其中k为弹簧弹性系数，c为阻尼系数，x为敏感质量块的位移，a为质量块的加速度，d0为电容极板标称间距。

图10.11　悬臂梁式电容微加速度计的结构

图10.12　悬臂梁式电容微加速度计的结构模型

从电学角度看，悬臂梁式电容加速度计的上电极与敏感质量块的上表面以及敏感质量块的下表面与下电极，可以等效为一对串联电容，并且在串联结构中敏感质量块的移动能够得到差动电容信号，有助于提高检测敏感度，其等效电路结构如图10.13所示。

如图10.13所示，当加速度a=0时，敏感质量块处于两电容正中间平衡位置，两差动电容的电容量相等

图10.13　悬臂梁式电容微加速度计的等效电路

式中，ε为介质介电常数；A为电容极板间的有效面积。

当加速度a≠0时，敏感质量块受到惯性力作用产生位移x，两差动电容的极板间隙发生变化。

目前微加速度计主要应用于安全控制方面，如汽车安全装置中的自动刹车、防抱死系统、安全气囊开启等功能。另外，在探矿测震领域也广泛使用微加速度计来提高地震检波器的性能指标；在医疗机械领域使用微加速度计来检测病人运动情况。随着电子器件朝着便携式方向的发展，微加速度计在各领域的应用前景十分广阔。

2）MEMS压阻式压力传感器

MEMS压阻式压力传感器的压力检测部分由四只具有敏感结构的高精密电阻组成，惠斯通电桥实现差动信号输出。多晶硅压敏电阻采用扩散工艺制作在硅膜片上，当被测压力作用在膜片上时，膜片产生形变，引起压敏电阻的阻值变化，电桥失衡，该失衡量与被测压力成比例，从而得到电阻变化率与不同压力的对应关系。其基本结构如图10.14所示。

图10.14　MEMS压阻式压力传感器的结构

MEMS压阻式压力传感器利用多晶硅材料的压阻效应，即多晶硅材料电阻值随受到外力的变化而变化，由此驱动惠斯通电桥输出电压信号。MEMS压阻式压力传感器的传感机理与惠斯通电桥密切相关。

MEMS压力传感器在汽车工业、生物医疗、能源化工、工业控制等各个领域都有广泛的应用。在汽车工业领域MEMS压力传感器主要应用在汽车安全控制方面，涵盖了发动机内燃机压力检测、气囊压力检测、内胎压力检测等；在生物医疗市场，外科手术使用的一次性低成本导管，在连续气道正压通气机中采用MEMS压力传感器感测压力与流差；在航空航天领域，MEMS压力传感器主要用于航天器表面压力、运行速度、航天发动机内部压力等参数的精确测量。

3）新型MEMS传感器

（1）微机械陀螺仪

近年来，随着微电子技术、微机械加工技术的发展，许多更适于微机械加工的新型MEMS微传感器取得了重大研发成果，微机械陀螺仪就是其中得到广泛应用的一种典型惯性器件。

陀螺仪是一种角运动检测装置。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，检测构件是一个转动的转子，其转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。因为微机械技术难以在硅片衬底上加工出一个可转动结构，所以无法将传统陀螺仪直接进行微型化得到微机械陀螺仪。但随着MEMS技术的日益成熟，推动了各种微机械装置和器件的发展，新型原理的微机械陀螺仪也逐渐发展起来。

微机械陀螺仪有多种类型结构和驱动方式，但其工作原理普遍采用振动物体传感角速度的概念，即利用振动来诱导和探测科里奥利力，按照这种原理设计的微机械陀螺仪不需要旋转部件和轴承，更有利于用微机械加工技术实现批量生产。(www.xing528.com)

科里奥利力是在旋转体系中定义的一个虚拟力，只是为了便于理论分析而并不实际存在，为了便于理解，可以将科里奥利力类比离心力，都是惯性作用在非惯性系内的体现。

根据惯性定理，在惯性系中进行直线运动的质点，有沿着原运动方向继续运动的趋势，但相对旋转体系而言，在质点运动过程中，其在参考系中的位置就发生了一定程度的偏离，相对于旋转体系来看其轨迹是一条曲线，如图10.15所示。

图10.15　科里奥利力示意图

在旋转体系，认为有一个驱使质点运动轨迹形成曲线的力，这个力就是科里奥利力，其计算公式为

式中，m为质点质量；ω为旋转体系的角速度（矢量）；v′为质点相对于转动参考系质点的运动速度（矢量）。

将图10.15所示的质点模型进一步引申，在一个旋转体系中，如某物体放置在一个旋转台上，有一个沿径向运动的谐振器。该谐振器在径向上往复运动，切向方向上与一个弹性系数为A的弹簧连接。由前面的分析可知，此时谐振器的质量块因受到科里奥利力作用而压缩弹簧，不断改变的科里奥利力成为切向方向上的激励源。

MEMS微机械陀螺仪就可以视作这样一个谐振器。MEMS陀螺仪通常有两个方向正交的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体做径向运动，横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化。因此，微机械陀螺仪检测部件的内部结构等效为一个两轴正交的质量-弹簧-阻尼系统，如图10.16所示。x轴方向为驱动轴，y轴方向为敏感轴，z轴为角速度输入轴。首先需要在陀螺仪的驱动轴上施加一个激励，使器件在驱动轴上产生谐振，若外界条件不变，器件将保持这种驱动模态。一旦有角速度输入系统，在这个旋转体系中将产生科里奥利效应，在科里奥利力的作用下，陀螺仪在敏感轴方向也会产生谐振。振幅与输入角速度大小成正比，相位也与角速度方位有关。后续通过测量在敏感轴方向上的振动情况就可实现对系统角速度的检测。

图10.16　微机械陀螺仪的基本结构

m—中心质量块的质量；k—弹簧弹性系数；c—阻尼系数。

微机械陀螺仪作为一种惯性器件，在汽车制造、便携智能设备等方面得到了广泛应用。在汽车制造领域，微机械陀螺仪用于测量汽车的旋转速度，它与加速度计一起构成高端汽车上的主动控制系统，一旦发现汽车的状态异常，系统在车祸尚未发生时及时纠正这个异常状态以阻止车祸的发生。在便携式智能设备制造领域，微机械陀螺仪由于其微型化、成本低等优点，广泛应用于惯性导航、图像稳定、无线惯性鼠标制造等方面。

（2）电容可变型直线MEMS静电马达

传统的电磁马达主要利用电磁原理，即通过通电线圈在磁场中受力转动带动起动机转子旋转，转子上的小齿轮带动发动机飞轮旋转。传统气马达将压缩空气的压力转换为旋转的机械能。但MEMS的电子器件由于尺寸变小，表面体积比大大增加，器件表面电磁力、惯性力的作用相对减小，表面张力、静电力、黏性力等的作用相对增大，传统原理的马达效率会大大降低。随着MEMS技术深入发展，作为MEMS中的关键部件——驱动源，微型马达需要改变传统的驱动方式，静电马达就是一种利用静电为能量源的能量转换装置。

静电马达利用两个极板间电荷分布产生的引力和斥力，把电能转换成机械能。按电荷传递方式的不同，静电马达可分为接触型、电火花型、电晕型、驻极体型等；根据马达旋转速度与施加电压的周期关系，可将静电马达分为同步和异步两种类型；按照运行原理不同，静电马达可分为感应型和变电容型。变电容型静电马达因其结构和原理简单，得到迅速发展并在工业领域实现了大规模生产。

变电容型静电马达依据电容可变原理工作，利用带电极板之间基于静电能的能量变化产生机械位移，这种作用力使两个电极趋于互相接近并达到一个能量最小的稳定位置。马达定子为静止电极，转子（对于直线电机为动子）为移动电极，通过限制转子向定子方向移动的自由度，就可以使转子获得单一方向的位移，其基本结构如图10.17所示。

图10.17　变电容型静电马达的基本结构

对于变电容型静电马达，由于在频率较高时静电马达的介电损耗很小，可近似为平行板电容器，其电容可变原理如图10.18所示。

图10.18　变电容型静电马达的电容可变原理

其中，a为极板的宽，x为电容极板运动过程中两电容板的有效长度，d为两极板间距，两板间是相对介电常数为εr的绝缘层。

当在两极板间施加电压V，电容器的储能为

分布在两平行电容板表面的电荷由于相互作用产生静电力，为计算电容极板沿x方向的力，可求W对x方向上的负偏导数，则此时推力Fx为

在推力Fx的作用下，转子在平行方向上水平移动，电能转化为机械能，驱动马达运转。

静电马达因其具有结构简单、微型化、能耗小等特点，在医疗器械、机器人伺服控制、定位平台等自动化装置及航空航天、军事武器等工业领域具有广泛的应用。当前静电马达的一个重要研究方向为如何获得较大的推力。目前主要有两种方式：一是在结构上可将静电马达制成多层、多元件结构，以获得高的力体积比；二是在驱动条件上通过增大驱动电压使马达获得较大的机械推力。总体而言，静电马达的研究将侧重于新材料和新结构，开发新型的机械加工工艺和方法，探索其在工业中更多的应用。