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一、MEMS 傳感器的概念

MEMS 是微機電系統(tǒng)(Micro - Electro - Mechanical Systems)的縮寫。MEMS 傳感器則是基于微機電系統(tǒng)技術制造出來的傳感器。

它將機械元件、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成于一塊或多塊芯片上，從而實現(xiàn)對物理量(如加速度、壓力、溫度等)的感知和測量等功能。

MEMS 傳感器具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、易于集成等諸多優(yōu)點，廣泛應用于消費電子、汽車、醫(yī)療、航空航天等眾多領域。

二、MEMS 傳感器的分類

(一)按測量物理量分類

加速度傳感器：

原理：

基于牛頓第二定律，通過測量慣性質(zhì)量在加速度作用下產(chǎn)生的慣性力來確定加速度大小。例如，當加速度傳感器受到加速度 a 時，質(zhì)量塊 m 會產(chǎn)生一個慣性力 F = ma，通過檢測這個力來測量加速度。

應用：

在消費電子中，用于智能手機的姿態(tài)檢測，如自動旋轉(zhuǎn)屏幕功能;在汽車行業(yè)，用于安全氣囊的觸發(fā)系統(tǒng)，當汽車發(fā)生碰撞產(chǎn)生較大加速度時，加速度傳感器能迅速檢測并觸發(fā)安全氣囊。

壓力傳感器：

原理：

常見的有壓阻式和電容式。壓阻式壓力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應，當受到壓力時，材料的電阻發(fā)生變化，通過測量電阻變化來測量壓力。電容式壓力傳感器則是通過測量壓力變化引起的電容變化來確定壓力大小。

應用：

在汽車輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)中，實時監(jiān)測輪胎內(nèi)壓力;在氣象監(jiān)測中，用于測量大氣壓力來預測天氣變化。

溫度傳感器：

原理：

主要有基于半導體材料的熱敏電阻效應和熱電偶效應。熱敏電阻的電阻值會隨溫度的升高或降低而變化，通過測量電阻變化來測量溫度。熱電偶是由兩種不同的金屬材料組成，當兩端存在溫度差時，會產(chǎn)生熱電勢，通過測量熱電勢來確定溫度。

應用：

在消費電子中，用于監(jiān)測設備內(nèi)部溫度，防止過熱;在工業(yè)生產(chǎn)中，用于監(jiān)測生產(chǎn)過程中的溫度參數(shù)，確保生產(chǎn)工藝的準確性。

磁場傳感器：

原理：

例如霍爾效應傳感器，當電流通過半導體薄片且薄片置于磁場中時，會在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電動勢，通過測量這個電動勢來測量磁場強度。

應用：

在電子羅盤應用中，用于確定方向;在電機控制中，用于檢測電機的磁場，實現(xiàn)精確控制。

(二)按工作原理分類

壓阻式傳感器：

工作原理：

利用半導體材料的壓阻特性，當材料受到外力作用產(chǎn)生應變時，其電阻率會發(fā)生變化，導致電阻值改變。通過測量電阻值的變化，可以得到所施加外力的大小或應變的大小。

特點：

靈敏度較高，輸出信號易于測量和處理，但受溫度影響較大，需要進行溫度補償。

電容式傳感器：

工作原理：

基于電容的變化來工作。當被測量的物理量(如壓力、位移等)發(fā)生變化時，會引起電容器極板間距離、極板面積或介電常數(shù)的變化，從而導致電容值改變。通過測量電容值的變化，可以得到相應物理量的大小。

特點：

功耗低、穩(wěn)定性好、溫度系數(shù)小，但對制造工藝要求較高，且電容值容易受到外界電場的干擾。

壓電式傳感器：

工作原理：

利用某些材料(如石英晶體、壓電陶瓷等)的壓電效應。當這些材料受到外力作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在材料的兩個表面上會產(chǎn)生電荷，電荷的多少與外力的大小成正比。通過測量電荷的多少，可以得到外力的大小。

特點：

具有自發(fā)電和可逆性，響應速度快，但輸出信號較小，且需要高阻抗的前置放大器。

熱電式傳感器：

工作原理：

基于熱電效應，即兩種不同的金屬或半導體材料組成的閉合回路，當兩個接點存在溫度差時，回路中會產(chǎn)生電動勢。通過測量電動勢的大小，可以得到溫度差的大小，進而得到溫度的大小。

特點：

測量范圍廣，響應速度較快，但精度相對較低，且需要進行冷端補償。