现实世界的信息是通过传感器获得的控制工程网版权所有，与人们的生活息息相关。传感器已大举进入工业自动化、汽车工业、航天、生物、医学应用领域，且在无线通信、消费品领域亦有广泛的发展空间。传感器种类繁多www.cechina.cn，涉及物理、化学、电子、机械、生物、医学等学科。在众多传感器技术中，微系统技术起着关键的作用，利用这一技术已研制了各种类型、性能可靠的传感器。此外，传感器无线网络化也是当前一个热门话题，为传感器应用另辟一条蹊径。本文将详细介绍这方面的发展情况。
 
     微系统技术

    MST（微系统技术）泛指系统内使用有源和无源两种微结构组件的一门技术。MST隐含MEMS（微机电系统），两个术语常常是通用的。微结构或微组件表示长度单元为微米级，最小达100nm的工艺与技术，该技术的崛起又出现了NEMW（纳米机电系统），它可以看作是MEMS的延伸。MNT（微与纳米技术）则是两者的融合，是一门兼有两种工艺和技术特点的更高级的技术。

     传感器微型化的优点

是不言而喻的。由于它采用与半导器件相同的材料和工艺加工的，因此可制作嵌入式传感器、阵列型传感器、多功能传感器以及智能传感器。由于传感器体积小、功耗低，便于进行分布式测量，更进一步可实现无线传感器网络。

    汽车行业是MEMS传感器的一个大市场，除目前的温度、压力、安全气囊加速计和轮速传感器外，还会在轮胎压力监控、车辆动态控制和陀螺仪/速度传感、制动压力传感、引擎射出压力传感和燃料气化压力传感诸多方面大量应用。加速计是比较有代表性的一款产品。
 
    早期MEMS采用多芯片方案CONTROL ENGINEERING China版权所有，传感元件（MEMS结构）在一个芯片上，而信号调理电路在另一个芯片上。从工艺加工观点，这一方法是比较简单的，但存在很多缺点：
     * 增加了硅片总面积。
     * 多芯片模块需要附加的组装步骤。
     * 要求传感器输出信号较大，以克服芯片至芯片互连形成的杂散电容以及较大传感器结构固有的杂散场效应。
     * 成品率低

    最新一代加速计传感器都是单芯片的，如AD公司的ADXL 202E集成EMES加速计，它是目前已批量生产的小型、廉价、低重力集成化双轴加速计。图1是ADXL202E机械结构的示意图。MEMS结构用多晶硅弹簧悬挂在衬底上，传感器本体可沿X轴和Y轴移动。四方形传感器本体四周设有32组径向指状横杆。这些指状横杆处于固定在衬底上的两条平板之间。每条指状横杆一对固定板组成一个差动电容。传感器本体相对子中心位置的任何偏离通过差动电容的测量来确定。这种传感器既能测量动态加速度（如冲击或震动），也能测量静态加速度（如倾角或重力）。

图1 ADXL202E机械结构示意图

     

    图2是ADXL202E的总体方框图。差动电容是采用同步调制/解调技术测量的。放大后的X轴和Y轴加速度信号分别通过32KΩ电阻加至CX和CY输出引脚以及PWM调制器。在CX和CY引脚处增加电容能限制带宽，从而降低噪声电平。PWM与加速度成正比，其输出可直接送至微处理器的数字输入端，用计数器解调PWM信号。

　

   
图2 ADXL202E方框图

     

    MEMS设计存在诸多挑战。首先是机械方面问题，即便是最简单的系统，也要弄清各个元件的机械性质。多数MEMS系统用多晶硅来构建微机械结构控制工程网版权所有，然而它的机械性能并不是十分理想的。此外，在微观世界中，材料的机械性能又会发生什么变化呢？其次是传感器的电气测量。传感器利用差动电容来实现测量，然后，将信号放大、线性化、在某些场合还要进行温度补偿。差动电容输出的信号是十分微小的，已达到测量的极限。对集成化一体器件，在加工过程中还存在机械性能和电气性能互相影响的问题，改进机械结构却影响电气性能控制工程网版权所有，反之亦然，例如退火可以增加机械强度，但使BiMOS器件性能恶化，因此要完善兼顾机械加工和电气性能的工艺技术。目前，器件的设计都不是手工完成的，广泛使用CAD工具和模拟软件，但在MEMS领域还没有标准的设计软件，要进一步加强MEMS CAD工具和模拟软件