MEMS传感器

基本电路原理

　　MEMS传感器有开环和闭环两种。在作为地震传感器之前，MEMS传感器多于自动控制领域，如美国模拟设备公司的ADX系列开环MEMS传感器(见图1)。该系列加速度传感器既可以测量动态加速度，又可以测量静态加速度。由于其噪声太大，决定了它不能用作地震检波器。

　　图1 开环加速度传感器原理图

　　闭环加速度传感器基于电容变化原理，惯性质体将加速度作用进行放大并转换成电容极板的位移。差动电容的变化通过检测电路变成电信号，在经过力平衡回路反馈，激励可移动的电容极板始终处于平衡位置。反馈信号同时作为输出，它表明了输入加速度的大小(见图2)。被反馈力测量的传感器响应值由芯片内部的一个5阶△∑ADC转换成数字量，输出128kHz串行数据位流。

　　图2 闭环加速度传感器原理图

工作原理分析

　　标准惯性质体的上下表面各沉积着一层导电层(硅片上掺杂金或铝)，固定帽上下表面也有沉积层，由此在标准惯性质体和固定帽之间形成可变电容(见图3)。每一块MEMS由4个独立的硅晶片组成，质量体的上下表面是电容器的负极，上下两个极板是电容器的正极。两个极板的间距大约为lOμm，即质量体的位移在±5μm之间。

　　图3 MEMS传感器工作原理示意图

　　设两电容(C1、C2)极板间距分别为X1，X2，当惯性质体以加速度a位移时，电容比率为

　　在MEMS传感器工作原理示意图中，其下端盖与质量体之间的电容为C1，施加的电压为V1；其上端盖与质量体之间的电容为C2 ，施加的电压为V2。未加电时传感器处于休眠状态，重力g向下拉动质量体，此时C1>C2；加电后启动循环，调整V1与V2的大小，以产生一个力来克服重力，直到C1=C2、F1+F2=g，传感器达到平衡，准备记录信号。当接收到沿工作轴向的地震信号时，C1与C2的值被持续不停地采样测量，它们的比例随着质量体移动而不停变化，同时负反馈循环回路改变V1与V2的大小以产生补偿，使质量体向中心位置移动。传感器根据为保持质量体回到中心所需的校正而得到输出信号，而垂直于传感器工作轴向的地震信号则被支撑弹簧阻止，不产生信号输出。

前景

　　根据ICInsight报告，预计在2007年至2012年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率(CAGR)，与2007年的41亿美元相比，五年后将实现97亿美元的年销售额。2007年到2012年间，基于MEMS的传感器和制动器的单位出货量将以27%的CAGR增长，2007年的出货量为13亿件，五年后将达43亿件。同期内传感器/制动器的单位出货量预计以23%的CAGR增长，2012年出货量将达到121亿件，在2007年的出货量是43亿件。若计入各类技术实现的传感器/制动器，则其市场总规模预计将达到119亿美元。根据该报告，基于MEMS的制动器在2007年将占据整体传感器/制动器市场份额的54%。们认为在物联网时代，MEMS传感器凭借着其体积小、成本低以及可与其他智能芯片集成在一起的巨大优势，必将成为传感器的主要生产技术。