什么是ＭＥＭＳ加速度傳感器　

微機電系統（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，ＭＥＭＳ）是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過幾十年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。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、數字微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中微傳感器占相當大的比例。微傳感器是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，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、易于集成和實現智能化的特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。本文概述國內外目前已實現的微機械傳感器特別是微機械諧振式傳感器的類型、工作原理、性能和發展方向。ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）加速度傳感器就是使用ＭＥ　ＭＳ技術制造的加速度傳感器。由于采用了微機電系統技術，使得其尺寸大大縮小，一個ＭＥＭＳ加速度計只有指甲蓋的幾分之一大小。ＭＥＭＳ加速度計具有體積小、重量輕、能耗低等優點。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的特點

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

ＭＥＭＳ加速度傳感器的應用領域　

通過測量由于重力引起的加速度，你可以計算出設備相對于水平面的傾斜角度。通過分析動態加速度，你可以分析出設備移動的方式。現在工程師們已經想出了很多方法獲得更多的有用的信息。　　ＭＥＭＳ加速度計可以幫助你的機器人了解它現在身處的環境。是在爬山？還是在走下坡，摔倒了沒有？或者對于飛行類的機器人來說，對于控制姿態也是至關重要的。更要確保的是，你的機器人沒有帶著炸彈自己前往人群密集處。一個好的工程師能夠使用ＭＥＭＳ加速度計來回答所有上述問題。　　

目前最新ＩＢＭ　Ｔｈｉｎｋｐａｄ手提電腦里就內置了ＭＥＭＳ加速度計，能夠動態的監測出筆記本在使用中的振動，并根據這些振動數據，系統會智能的選擇關閉硬盤還是讓其繼續運行，這樣可以最大程度的保護由于振動，比如顛簸的工作環境，或者不小心摔了電腦所造成的硬盤損害，最大程度地保護里面的數據。目前在一些先進的移動硬盤上也使用了這項技術。　　另外一個用處就是在目前的數碼相機和攝像機里，用ＭＥＭＳ加速度計來檢測拍攝時候的手部的振動，并根據這些振動，自動調節相機的聚焦。　　ＭＥＭＳ加速度計還可以用來分析發動機的振動。汽車防撞氣囊的啟動也可以由ＭＥＭＳ加速度計控制。　　

由此可見ＭＥＭＳ加速度計可以在我們的生活中發揮重要作用。歸納其應用主要有以下幾個方面：振動檢測、姿態控制、安防報警、消費應用、動作識別、狀態記錄等。

目前，ＭＥＭＳ傳感器主要應用在汽車和消費電子兩大領域。汽車工業是傳感器的一個重要應用領域。每輛汽車會有４０到上百個傳感器，而汽車智能化的發展趨勢也將促進汽車市場對傳感器的需求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統（ＡＢＳ）、電子車身穩定程序（ＥＳＰ）、電控懸掛（ＥＣＳ）、電動手剎（ＥＰＢ）、斜坡起動輔助（ＨＡＳ）、胎壓監控（ＥＰＭＳ）、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等等。其中電子車身穩定程序ＥＳＰ得到眾ＭＥＭＳ廠商的高度關注。由于其主動防滑功能要求更多的傳感器和先進的處理系統，因此將帶動汽車電子ＭＥＭＳ傳統應用市場的需求。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的工作原理　　

下面會對幾種ＭＥＭＳ加速度傳感器的工作原理做一個簡單的介紹。技術成熟的ＭＥＭＳ加速度計分為三種：

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。它也屬于慣性式傳感器。

它是利用某些物質如石英晶體的壓電效應，

在加速度計受振時，質量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，

則力的變化與被測加速度成正比。壓電式加速度傳感器是基于壓電晶體的壓電效應工作的。某些晶體在一定方向上受力變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力去除后，又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱為“壓電效應”，具有“壓電效應”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加速度計內部也存在一個質量塊，從單個單元來看，它是標準的平板電容器。加速度的變化帶動活動質量塊的移動從而改變平板電容兩極的間距和正對面積，通過測量電容變化量來計算加速度。電容型加速度傳感器的結構形式一般也采用彈簧質量系統。當質量受加速度作用運動而改變質量塊與固定電極之間的間隙進而使電容值變化。電容式加速度計與其它類型的加速度傳感器相比具有靈敏度高、零頻響應、環境適應性好等特點，尤其是受溫度的影響比較小；但不足之處表現在信號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源，因此電容傳感器的輸出信號往往需通過后繼電路給于改善。在實際應用中電容式加速度傳感器較多地用于低頻測量，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加速度計內部沒有任何質量塊，它的中央有一個加熱體，周邊是溫度傳感器，里面是密閉的氣腔，工作時在加熱體的作用下，氣體在內部形成一個熱氣團，熱氣團的比重和周圍的冷氣是有差異的，通過慣性熱氣團的移動形成的熱場變化讓感應器感應到加速度值。　　由于壓電式ＭＥＭＳ加速度計內部有剛體支撐的存在，通常情況下，壓電式ＭＥＭＳ加速度計只能感應到“動態”加速度，而不能感應到“靜態”加速度，也就是我們所說的重力加速度。而容感式和熱感式既能感應“動態”加速度，又能感應“靜態”加速度。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的發展現狀　

隨著智能手機等的普及，要求設備具備更高的功能和可設計性，在這種情　況下，對組件的高度集成化和小型化的需求強勁。另外，高性能化導致電池的消耗增加，因此，對于搭載在設備上的各種元器件，要求具備更低的功耗。業界最小尺寸的加速度傳感器最高分辨率達到１４ｂｉｔ，具有低功耗、　耐沖擊性高及可編程的待機喚醒功能，能夠進行傾斜檢測、運動檢測等；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定性，最高分辨率達４ｂｉｔ的特點，可高精度傾斜檢測、運動檢測等，目前此兩種設備主要應用于智能手機、平板／筆記本電腦、數碼相機、游戲機及其他小型民生設備。　　智能手機和游戲機等具有更多感官性運動的設備操作需求高漲，另外，出現了智能電視用的運動遙控等新需求。在這些運動檢測中，使用了歷來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，可減少來自微控制器的訪問頻率，具備旋轉運動檢測功能。而隨著加速度傳感器、陀螺儀進一步普及，同時在小型設備中使用案例日益增加。單芯片化以及在１個系統的通信接口一起使用２個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軸陀螺儀的復合傳感器的漸漸出現，不但具有以上小型封裝陀螺儀的各種特點和功能，同時還擁有業界領先的低耗電量，僅為４ｍＡ。他們多應用于智能手機、平板電腦、游戲機、遙控器、ＰＮＤ及其他小型民生設備。

ＭＥＭＳ加速度傳感器的發展前景

咨詢公司ＩＮＴＥＣＨＮＯＣＯＮＳＵＬＴＩＮＧ的傳感器市場報告顯示，２００８年全球傳感器市場容量為５０６億美元，預計２０１０年全球傳感器市場可達６００億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區。就世界范圍而言，傳感器市場上增

長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。　一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規模最大，分別占到整個傳感器市場的２１％、１９％和１４％。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，微機電系統）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在２００７－２０１０年復合年增長率預計會超過２５％。　　全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、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與市場份額的擴大。　　電容傳感器有望有一個強勁的增長，２００４年后增長將會更快，估計從１９９７年到２００７年綜合年增長率為５．９％，其中最高可達３３．２％，其市值２０００年為０．７５億美元，到２００７年將達到１．１億美元。來自歐洲和北美洲的汽車業和工業用戶是這些產品的主要購買者。２０００年的市場上北美占４０．４％，歐洲占４８．９％。汽車行業使用電容式傳感器主要用于安全系統、輪胎磨損監測、慣性剎車燈、前燈水準測量、安全帶伸縮、自動門鎖和安全氣囊。對于設計人員來說，電容式傳感器是非常有吸引力的，因為它無需接觸待測物，所以不必擠進狹窄的空間中。