什么是ＭＥＭＳ加速度傳感器　

微機(jī)電系統(tǒng)（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已成為世界矚目的重大科技領(lǐng)域之一。它涉及電子、機(jī)械、材料、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多種學(xué)科與技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，全世界有大約６００余家單位從事ＭＥＭＳ的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中微傳感器占相當(dāng)大的比例。微傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。本文概述國(guó)內(nèi)外目前已實(shí)現(xiàn)的微機(jī)械傳感器特別是微機(jī)械諧振式傳感器的類型、工作原理、性能和發(fā)展方向。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）加速度傳感器就是使用ＭＥ　ＭＳ技術(shù)制造的加速度傳感器。由于采用了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，使得其尺寸大大縮小，一個(gè)ＭＥＭＳ加速度計(jì)只有指甲蓋的幾分之一大小。ＭＥＭＳ加速度計(jì)具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的特點(diǎn)

ＭＥＭＳ加速度傳感器具備高精度、高分辨率（分辨率優(yōu)于１０μｇ）、低噪聲（１３所２．５μｇ，國(guó)外同類產(chǎn)品約５μｇ）、低功耗、低溫漂、抗過載和超小體積（體積是國(guó)外同類產(chǎn)品１／４）、重量小于１．２克（國(guó)外同類產(chǎn)品約１０克）等技術(shù)特點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)全面超越國(guó)外同類產(chǎn)品。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域　

通過測(cè)量由于重力引起的加速度，你可以計(jì)算出設(shè)備相對(duì)于水平面的傾斜角度。通過分析動(dòng)態(tài)加速度，你可以分析出設(shè)備移動(dòng)的方式。現(xiàn)在工程師們已經(jīng)想出了很多方法獲得更多的有用的信息。　　ＭＥＭＳ加速度計(jì)可以幫助你的機(jī)器人了解它現(xiàn)在身處的環(huán)境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對(duì)于飛行類的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，對(duì)于控制姿態(tài)也是至關(guān)重要的。更要確保的是，你的機(jī)器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個(gè)好的工程師能夠使用ＭＥＭＳ加速度計(jì)來(lái)回答所有上述問題。　　

目前最新ＩＢＭ　Ｔｈｉｎｋｐａｄ手提電腦里就內(nèi)置了ＭＥＭＳ加速度計(jì)，能夠動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)出筆記本在使用中的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會(huì)智能的選擇關(guān)閉硬盤還是讓其繼續(xù)運(yùn)行，這樣可以最大程度的保護(hù)由于振動(dòng)，比如顛簸的工作環(huán)境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度地保護(hù)里面的數(shù)據(jù)。目前在一些先進(jìn)的移動(dòng)硬盤上也使用了這項(xiàng)技術(shù)。　　另外一個(gè)用處就是在目前的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)里，用ＭＥＭＳ加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)拍攝時(shí)候的手部的振動(dòng)，并根據(jù)這些振動(dòng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)相機(jī)的聚焦。　　ＭＥＭＳ加速度計(jì)還可以用來(lái)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。汽車防撞氣囊的啟動(dòng)也可以由ＭＥＭＳ加速度計(jì)控制。　　

由此可見ＭＥＭＳ加速度計(jì)可以在我們的生活中發(fā)揮重要作用。歸納其應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：振動(dòng)檢測(cè)、姿態(tài)控制、安防報(bào)警、消費(fèi)應(yīng)用、動(dòng)作識(shí)別、狀態(tài)記錄等。

目前，ＭＥＭＳ傳感器主要應(yīng)用在汽車和消費(fèi)電子兩大領(lǐng)域。汽車工業(yè)是傳感器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。每輛汽車會(huì)有４０到上百個(gè)傳感器，而汽車智能化的發(fā)展趨勢(shì)也將促進(jìn)汽車市場(chǎng)對(duì)傳感器的需求。其應(yīng)用方向和市場(chǎng)需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)（ＡＢＳ）、電子車身穩(wěn)定程序（ＥＳＰ）、電控懸掛（ＥＣＳ）、電動(dòng)手剎（ＥＰＢ）、斜坡起動(dòng)輔助（ＨＡＳ）、胎壓監(jiān)控（ＥＰＭＳ）、引擎防抖、車輛傾角計(jì)量和車內(nèi)心跳檢測(cè)等等。其中電子車身穩(wěn)定程序ＥＳＰ得到眾ＭＥＭＳ廠商的高度關(guān)注。由于其主動(dòng)防滑功能要求更多的傳感器和先進(jìn)的處理系統(tǒng)，因此將帶動(dòng)汽車電子ＭＥＭＳ傳統(tǒng)應(yīng)用市場(chǎng)的需求。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的工作原理　　

下面會(huì)對(duì)幾種ＭＥＭＳ加速度傳感器的工作原理做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。技術(shù)成熟的ＭＥＭＳ加速度計(jì)分為三種：

壓電式、容感式、熱感式。壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。

它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，

在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，

則力的變化與被測(cè)加速度成正比。壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”，具有“壓電效應(yīng)”的晶體稱為壓電晶體。常用的壓電晶體有石英、壓電陶瓷等。　　容感式ＭＥＭＳ加速度計(jì)內(nèi)部也存在一個(gè)質(zhì)量塊，從單個(gè)單元來(lái)看，它是標(biāo)準(zhǔn)的平板電容器。加速度的變化帶動(dòng)活動(dòng)質(zhì)量塊的移動(dòng)從而改變平板電容兩極的間距和正對(duì)面積，通過測(cè)量電容變化量來(lái)計(jì)算加速度。電容型加速度傳感器的結(jié)構(gòu)形式一般也采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。當(dāng)質(zhì)量受加速度作用運(yùn)動(dòng)而改變質(zhì)量塊與固定電極之間的間隙進(jìn)而使電容值變化。電容式加速度計(jì)與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應(yīng)、環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)，尤其是受溫度的影響比較小；但不足之處表現(xiàn)在信號(hào)的輸入與輸出為非線性，量程有限，受電纜的電容影響，以及電容傳感器本身是高阻抗信號(hào)源，因此電容傳感器的輸出信號(hào)往往需通過后繼電路給于改善。在實(shí)際應(yīng)用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測(cè)量，其通用性不如壓電式加速度傳感器，且成本也比壓電式加速度傳感器高得多。　　　　　

熱感式ＭＥＭＳ加速度計(jì)內(nèi)部沒有任何質(zhì)量塊，它的中央有一個(gè)加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時(shí)在加熱體的作用下，氣體在內(nèi)部形成一個(gè)熱氣團(tuán)，熱氣團(tuán)的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團(tuán)的移動(dòng)形成的熱場(chǎng)變化讓感應(yīng)器感應(yīng)到加速度值。　　由于壓電式ＭＥＭＳ加速度計(jì)內(nèi)部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式ＭＥＭＳ加速度計(jì)只能感應(yīng)到“動(dòng)態(tài)”加速度，而不能感應(yīng)到“靜態(tài)”加速度，也就是我們所說(shuō)的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應(yīng)“動(dòng)態(tài)”加速度，又能感應(yīng)“靜態(tài)”加速度。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀　

隨著智能手機(jī)等的普及，要求設(shè)備具備更高的功能和可設(shè)計(jì)性，在這種情　況下，對(duì)組件的高度集成化和小型化的需求強(qiáng)勁。另外，高性能化導(dǎo)致電池的消耗增加，因此，對(duì)于搭載在設(shè)備上的各種元器件，要求具備更低的功耗。業(yè)界最小尺寸的加速度傳感器最高分辨率達(dá)到１４ｂｉｔ，具有低功耗、　耐沖擊性高及可編程的待機(jī)喚醒功能，能夠進(jìn)行傾斜檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等；而另外一款高性能、低功耗、低成本、低噪音的加速度傳感器具有高穩(wěn)定性，最高分辨率達(dá)４ｂｉｔ的特點(diǎn)，可高精度傾斜檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等，目前此兩種設(shè)備主要應(yīng)用于智能手機(jī)、平板／筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)及其他小型民生設(shè)備。　　智能手機(jī)和游戲機(jī)等具有更多感官性運(yùn)動(dòng)的設(shè)備操作需求高漲，另外，出現(xiàn)了智能電視用的運(yùn)動(dòng)遙控等新需求。在這些運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中，使用了歷來(lái)使用的加速度傳感器，還增加了陀螺儀，提高了操作感受。小型封裝陀螺儀采用ＦＩＦＯ緩沖區(qū)，可減少來(lái)自微控制器的訪問頻率，具備旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)功能。而隨著加速度傳感器、陀螺儀進(jìn)一步普及，同時(shí)在小型設(shè)備中使用案例日益增加。單芯片化以及在１個(gè)系統(tǒng)的通信接口一起使用２個(gè)傳感器的需求不斷增加。小型封裝的３軸加速

度傳感器和３軸陀螺儀的復(fù)合傳感器的漸漸出現(xiàn)，不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點(diǎn)和功能，同時(shí)還擁有業(yè)界領(lǐng)先的低耗電量，僅為４ｍＡ。他們多應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、游戲機(jī)、遙控器、ＰＮＤ及其他小型民生設(shè)備。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的發(fā)展前景

咨詢公司ＩＮＴＥＣＨＮＯＣＯＮＳＵＬＴＩＮＧ的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，２００８年全球傳感器市場(chǎng)容量為５０６億美元，預(yù)計(jì)２０１０年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)６００億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增

長(zhǎng)最快的依舊是汽車市場(chǎng)，占第二位的是過程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。　一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的２１％、１９％和１４％。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)線傳感器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線傳感器在２００７－２０１０年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過２５％。　　全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。　　電容傳感器有望有一個(gè)強(qiáng)勁的增長(zhǎng)，２００４年后增長(zhǎng)將會(huì)更快，估計(jì)從１９９７年到２００７年綜合年增長(zhǎng)率為５．９％，其中最高可達(dá)３３．２％，其市值２０００年為０．７５億美元，到２００７年將達(dá)到１．１億美元。來(lái)自歐洲和北美洲的汽車業(yè)和工業(yè)用戶是這些產(chǎn)品的主要購(gòu)買者。２０００年的市場(chǎng)上北美占４０．４％，歐洲占４８．９％。汽車行業(yè)使用電容式傳感器主要用于安全系統(tǒng)、輪胎磨損監(jiān)測(cè)、慣性剎車燈、前燈水準(zhǔn)測(cè)量、安全帶伸縮、自動(dòng)門鎖和安全氣囊。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，電容式傳感器是非常有吸引力的，因?yàn)樗鼰o(wú)需接觸待測(cè)物，所以不必?cái)D進(jìn)狹窄的空間中。