MEMS传感器浅析

导语

    传感器技术是信息技术的三大支柱之一，是实现物联网和智能控制的关键技术。传感器技术发展到近代，出现了具备信息处理能力的智能传感器，它对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力。随着5G万物互联时代的到来，智能传感器的产业前景十分广阔。根据Markets and Markets报告，全球智能传感器市场规模将从2020年的366亿美元达到2025年的876亿美元，年均复合增长率19.0%。而融合了微机电和控制技术的MEMS传感器，是当前传感器的主流。

一、什么是MEMS传感器

    1.MEMS传感器的工作原理与特性

    MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微机电系统，是集微传感器、微执行器、微机械结构、信号处理和控制电路、微电源、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

    图1为典型的MEMS工作原理图。其输入信号是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的或/和数字的）后，由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其他的微系统进行通信。

图1 MEMS工作原理图

    上个世纪八十年代，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）提出MEMS的概念，随后，人们在Si芯片上研制出可动的微部件、齿轮、涡轮等，成为MEMS研究的重要标志。MEMS技术和CMOS技术在传感器领域的结合使MEMS传感器应运而生。

    MEMS传感器涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具体来说它是一种将能量从一种形式转变成另一种形式，并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的微型器件，采用了微电子和微机械加工技术进行制造。其工作原理如图2所示。

图2 MEMS传感器的工作原理

    相比传统传感器，MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成和大批量生产等优势。此外，作为智能传感器代表的MEMS传感器，在信号采集、数据处理、信息交互和逻辑判断等过程中表现出如下智能特性：

    ①数据预处理。对数字化的数据进行分析、计算，实现自动调校、自动平衡、自动补偿和自选量程等功能。

    ②自动校准。可根据操作者输入的零值或某一标准量，调用自动校准软件对传感器进行调零和校准。

    ③自动诊断。在工作过程中可进行自检，判断传感器各部分是否正常运行，并进行故障定位。

    ④自适应。在工作过程中能够主动调节自身模型和参数，以适应外部环境的变化，从而保证其基本功能和性能。

    ⑤双向通信。采用双向通信接口，向外部设备发送测量、状态信息，并能接收和处理外部设备发出的指令。

    ⑥智能组态。设有多种模块化的硬件和软件，根据不同的应用需求，操作者可改变其模块的组合状态，实现多传感单元、多参量的复合测量。

    ⑦信息存储和记忆。可存储传感器的特征数据和组态信息，如装置历史信息、校正数据、测量参数、状态参数等，在断电重连后能够自动恢复到原来的工作状态，也能根据应用需要随时调整其工作状态。

    ⑧自推演。可根据数据处理得到的结果或其他途径得到的信息进行多级推理和预测，并输出结果。

    ⑨自学习。可根据外部环境的变化和历史经验，主动改进/优化自身模型、算法和参数。

    2.MEMS传感器的分类

    智能传感器的分类形式多样，根据GB/T 34069-2017《物联网总体技术智能传感器特性与分类》，智能传感器可按照通用分类从材料、工作原理、输出信号类型、工作机理、检测对象、制作工艺等方面进行分类；也可从智能化角度，按照结构、技术、信号处理等方面进行分类；亦可从物联网角度，按通信接口类型、节点类型等方面进行分类。

    常见的是依据工作原理分为物理量智能传感器、化学量智能传感器和生物量智能传感器三大类。MEMS传感器也可遵循此规则分类见下：

图3 MEMS传感器分类