趙正平
引言
信息社會(huì)已步入智能時(shí)代發(fā)展階段，智能手機(jī)、智能可穿戴設(shè)備、無線智能網(wǎng)絡(luò)、智能汽車、智能無人機(jī)和智能機(jī)器人等智能設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展正在或?qū)⒁淖冃畔⑸鐣?huì)的各個(gè)方面，而作為智能時(shí)代發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，MEMS智能傳感器也已進(jìn)入快速發(fā)展的新階段。
20世紀(jì)70年代后期隨著微電子的發(fā)展，可賦予傳感器以“智能”的功能，人們提出智能傳感器的概念，其包含傳感器、執(zhí)行器、合適的電源、內(nèi)在的計(jì)算能力、用于數(shù)字信息的通信接口和標(biāo)識(shí)。
20世紀(jì)80年代初期，研究人員開始直接以硅（Si）材料實(shí)現(xiàn)機(jī)械器件，由于微電子二維的加工技術(shù)向三維加工的擴(kuò)展，有可能實(shí)現(xiàn)Si的機(jī)械器件和微電子的集成，1986年美國(guó)DARPA在提案中提出了微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的概念；1987年，人們?cè)赟i芯片上研制出可動(dòng)的微部件、齒輪、渦輪等，成為MEMS研究的重要標(biāo)志。這種Si芯片上的微小機(jī)器在日本被稱為微機(jī)械，在歐洲被稱為微系統(tǒng)，其具有三大特征：小型化、多樣性和微電子學(xué)。
MEMS技術(shù)用于傳感器制造可使傳感器尺寸更小、精度更高和具有大量生產(chǎn)的潛力，MEMS技術(shù)和微電子技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的結(jié)合使MEMS智能傳感器應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)90年代初，溫度、振動(dòng)和沖擊的MEMS智能傳感器開始用于航天發(fā)射運(yùn)載的健康管理；此后，MEMS智能傳感器用于小型化的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、微型智能傳感和汽車工業(yè)的安全系統(tǒng)。
進(jìn)入21世紀(jì)，MEMS智能傳感器進(jìn)入了消費(fèi)電子領(lǐng)域，2007年三軸MEMS加速度計(jì)用于智能手機(jī)成為MEMS智能傳感器發(fā)展的分水嶺，新一代MEMS智能傳感器成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)智能終端的顛覆性技術(shù)，開啟了移動(dòng)智能網(wǎng)絡(luò)的新發(fā)展。智能時(shí)代的開啟要求MEMS智能傳感器向低成本、多傳感器集成、更高精度、遠(yuǎn)程監(jiān)控和自適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)接口等方向發(fā)展，使MEMS智能傳感器的傳感部分和電子學(xué)架構(gòu)均有長(zhǎng)足的進(jìn)展。
博世BHI160BP，業(yè)內(nèi)首款為可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的位置跟蹤智能傳感器
MEMS智能傳感器的種類很多，本文選擇其中用量較大、發(fā)展較快的慣性、壓力、溫度和生化等新一代MEMS智能傳感器作為典型代表，分析其應(yīng)用背景和技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)，介紹其近期的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，以便把握MEMS智能傳感器的發(fā)展動(dòng)向。
1. MEMS慣性智能傳感器
MEMS慣性智能傳感器是應(yīng)用最多的智能傳感器，如MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和慣性測(cè)量單元等智能傳感器已廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴智能硬件，其發(fā)展方向是新一代電子學(xué)架構(gòu)、多功能集成和高精度。IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)把智能傳感器定義為具有小內(nèi)存和能與處理器和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的標(biāo)準(zhǔn)物理連接的傳感器，由具有信號(hào)調(diào)制的傳感器、嵌入式算法和數(shù)字接口等三者相結(jié)合而成。
2016年，R. L. Leal等人將目前傳感器發(fā)展分為五代，其中第三代到第五代為智能傳感器。第一代傳感器中不包含電子學(xué)部分；第二代傳感器是傳感系統(tǒng)的一部分，并采用傳感器的遠(yuǎn)程控制；第三代傳感器包含MEMS傳感和信號(hào)放大等信號(hào)調(diào)節(jié)；第四代傳感器包含MEMS傳感、信號(hào)處理、信號(hào)調(diào)節(jié)和數(shù)字端口等，允許傳感器尋址并可通過傳感器和微控制器之間的通信來實(shí)現(xiàn)自我評(píng)估的功能；第五代傳感器包含多個(gè)MEMS傳感、信號(hào)調(diào)節(jié)、微控制器、數(shù)字端口和ADC等，具有指令和數(shù)據(jù)的雙向的通信、全數(shù)字化傳輸、本地?cái)?shù)字處理、自我測(cè)試、用戶定義算法和補(bǔ)償算法等特點(diǎn)。
為應(yīng)對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合的新挑戰(zhàn)，目前新一代MEMS慣性智能傳感器已應(yīng)運(yùn)而生。2011年，S. G. Ducouret報(bào)道了新一代智能傳感器，其代表是飛思卡爾半導(dǎo)體公司開發(fā)的三軸MEMS加速度計(jì)MMA9550L，在電子學(xué)方面的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是增加了嵌入式32位微處理器、Flash、RAM和ROM等IC，以適應(yīng)低成本處理數(shù)據(jù)和靈活重新配置內(nèi)嵌的功能以及融合外部傳感器數(shù)據(jù)。
為適應(yīng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、沉浸式游戲、個(gè)人健康與健身、室內(nèi)導(dǎo)航和其他需要環(huán)境意識(shí)的智能硬件應(yīng)用的需要，2013年，S. Finkbeiner報(bào)道了Bosch公司開發(fā)的尺寸為3.0 mm x 4.5 mm x 0.95 mm的系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）集成的九軸MEMS智能傳感器BNO055，傳感部分包含三軸12位加速度計(jì)、三軸16位陀螺儀和三軸地磁傳感器，其電子學(xué)部分包括可運(yùn)行傳感器數(shù)據(jù)融合軟件BSX3.0的32位微控制器；其中的BSX3.0軟件可將來自多個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)融合至最佳性能，并具有支撐九軸的傳感器、嵌入式微控制器和外部應(yīng)用處理器等運(yùn)行的功能，其能夠和微軟、安卓等軟件兼容并具有可擴(kuò)展架構(gòu)。
為適應(yīng)可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)緊湊、多功能傳感的需求，2017年，F(xiàn). Y. Kuo等人報(bào)道了基于諧振的MEMS結(jié)構(gòu)的單片多傳感器設(shè)計(jì)，采用0.18 um 1P6M CMOS/MEMS工藝，以諧振器作為基本構(gòu)建塊，其中多個(gè)MEMS傳感器包括環(huán)境溫度傳感器、環(huán)境壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀傳感器，并可以通過單一標(biāo)準(zhǔn)ASIC/MEMS的讀出電路和嵌入式MCU實(shí)現(xiàn)單片集成，其中嵌入式MCU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)變換和多傳感融合。
在無GPS的環(huán)境下，精確的個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于要求苛刻的應(yīng)用，如消防和救援任務(wù)等是至關(guān)重要的。2018年，Q. B. GHO等人報(bào)道了采用MEMS可穿戴地面反應(yīng)傳感器陣列和接口ASIC的個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的MEMS IMU包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀和三軸地磁傳感器，陀螺儀和地磁傳感器結(jié)合可提供取向信息，在時(shí)間上積累的加速度數(shù)據(jù)可得到距離信息。為了實(shí)現(xiàn)高性能導(dǎo)航，當(dāng)腳接觸地面時(shí)，準(zhǔn)確地重置IMU的每一步中時(shí)間積分是至關(guān)重要的。采用MEMS地面反應(yīng)傳感器陣列和一個(gè)接口ASIC能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到地面上的時(shí)間。采用高度系統(tǒng)集成方法設(shè)計(jì)了低功耗的CMOS集成電路，并與有效的系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)及傳感器數(shù)據(jù)融合和處理算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了該個(gè)人慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在3km步行距離時(shí)，無GPS的位置精度達(dá)到5.5m。
為了適應(yīng)設(shè)備導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用的需求，高精度MEMS慣性智能傳感器也是重要的發(fā)展方向。其中MEMS加速度計(jì)的創(chuàng)新技術(shù)有：閉環(huán)MEMS加速度計(jì)傳感器和電子學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；亞心偏差不穩(wěn)定性的低功耗MEMS硅諧振加速度計(jì)的設(shè)計(jì)；微型低成本精密石英擺式加速度計(jì)與閉環(huán)配置的電子伺服回路的設(shè)計(jì)以及具有自恢復(fù)信噪比功能的地震檢測(cè)的CMOS MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)。
為了達(dá)到慣性導(dǎo)航等級(jí)加速度計(jì)性能的要求，2016年，B. Grinberg等人報(bào)道了閉環(huán)MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。傳感器采用SOI芯片內(nèi)平面技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)抑制寄生效應(yīng)的全橋電容感應(yīng)；采用高度對(duì)稱的機(jī)械結(jié)構(gòu)以獲得更好的溫度穩(wěn)定性和不需要真空封裝；采用大質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)有助于增強(qiáng)敏感度。電子學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)架構(gòu)采用4級(jí)△Σ調(diào)制器將外部加速度轉(zhuǎn)換為高頻率信號(hào)和比特?cái)?shù)字信號(hào)；其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)包括精確的時(shí)鐘、高穩(wěn)定參考電壓和管理配置各系統(tǒng)參數(shù)的微控制器，以改善噪聲、線性和穩(wěn)定性。MAXL-CL- 3030閉環(huán)加速度計(jì)的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了導(dǎo)航級(jí)設(shè)計(jì)，偏置穩(wěn)定性<20 ug，典型非線性為0.01%，在20～2 000Hz的頻率范圍內(nèi)振動(dòng)校正誤差小于10 ug/g2rms。
實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航應(yīng)用的關(guān)鍵任務(wù)對(duì)于MEMS加速度計(jì)是一重大挑戰(zhàn)。硅諧振加速度計(jì)在大線性范圍內(nèi)具有優(yōu)勢(shì)，其標(biāo)度因子具有良好的穩(wěn)定性，以及調(diào)頻輸出的準(zhǔn)數(shù)字性質(zhì)，可有助于讀出系統(tǒng)免于電路塊參數(shù)變化的影響。2016年，J. Zhao等人報(bào)道了具有亞ug偏差不穩(wěn)定性和30g全量程的低功耗MEMS硅諧振加速度計(jì)。MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)包含質(zhì)量塊、兩個(gè)杠桿和兩個(gè)諧振，采用晶圓級(jí)真空封裝的80um厚的SOI工藝實(shí)現(xiàn)。MEMS諧振器嵌入振蕩環(huán)路中，振蕩維持電路包含低噪聲前端放大、VGA、低噪聲自動(dòng)放大控制電路等。測(cè)試結(jié)果表明，該硅諧振加速度計(jì)在±30g全量程范圍，偏置不穩(wěn)定度小于1ug，速度隨機(jī)游走為2.5 ug/√Hz，其諧振頻率為15 kHz，功耗在1.5 V下為3.5 mw。
加速度計(jì)是捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，可測(cè)量一些加速度，以獨(dú)立的方式為主機(jī)運(yùn)載提供指導(dǎo)和飛行控制參數(shù)。為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)的要求，2017年，J. Beitia等人報(bào)道了用于高動(dòng)態(tài)、精確制導(dǎo)系統(tǒng)的微型加速度計(jì)。該微型低成本精密石英擺式加速度計(jì)，其質(zhì)量塊是由直徑12mm的高純?nèi)廴谑⒕ㄟ^兩個(gè)厚15um鉸鏈連接到一個(gè)剛性圓盤結(jié)構(gòu)外框的結(jié)構(gòu)所組成，質(zhì)量塊和兩個(gè)對(duì)稱磁結(jié)構(gòu)之間的氣隙為20um。為了獲得較低的偏置振動(dòng)校正誤差，采用閉環(huán)配置的電子伺服回路，通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化增益設(shè)計(jì)和優(yōu)化加速度計(jì)設(shè)計(jì)，以減少由于電極的氣隙中氣體的不對(duì)稱行為引起的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度不匹配。測(cè)試結(jié)果表明，石英擺式加速度計(jì)在80g的動(dòng)態(tài)范圍下，在50～200Hz和750～2000Hz的頻段下的振動(dòng)校正誤差分別小于10和25ug/g2rms，標(biāo)度因子溫度穩(wěn)定性小于100ppm，其尺寸為直徑18mm、高度11mm，質(zhì)量為25g。
2018年，C. T. Chiang報(bào)道了用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的地震檢測(cè)的CMOS MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)。采用0.35um 2P4M具有3V電源的CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)單片集成，其電容式加速度計(jì)的質(zhì)量塊和梳齒結(jié)構(gòu)的電極均由SiO2制備，采用應(yīng)力補(bǔ)償框架的設(shè)計(jì)以減少殘留應(yīng)力。CMOS傳感電路包含：電容一電壓變換器、解調(diào)斬波器、5級(jí)開關(guān)電容低通濾波器、可編程增益放大器和4級(jí)△Σ調(diào)制器（DSM）。同時(shí)DSM還有兩路反饋回路，由整流器、峰值檢波器和靜電力傳感器組成。測(cè)試結(jié)果表明，該加速度計(jì)的連續(xù)時(shí)間電壓模擬傳感電路的敏感度為131.99mV/g，在0.25～6.75g內(nèi)的最大的非線性是1.21%，本底噪聲是0.579mg/√Hz，y軸和z軸的非線性分別小于0.05%和1.38%。加速度計(jì)經(jīng)連續(xù)三周不停顫抖試驗(yàn)后，峰值信噪比（SNDR）下降為49.1dB，但在0.5s內(nèi)其會(huì)自動(dòng)清零，使傳感器的峰值SNDR達(dá)到75.2dB。芯片面積為3030um x 2997um，3V下的功耗為5.2mW。
提高M(jìn)EMS陀螺儀的設(shè)計(jì)創(chuàng)新技術(shù)有：采用驅(qū)動(dòng)模式和傳感模式之間具有非零頻率間隔和基于DSP的電子學(xué)調(diào)諧叉齒MEMS陀螺儀；低功耗、低偏置不穩(wěn)定度的CT- △Σ MEMS陀螺儀讀出系統(tǒng)；采用低功耗、低相位噪聲的頻率調(diào)制工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙傳感器系統(tǒng)相結(jié)合；高標(biāo)度因子精度和高偏置穩(wěn)定度的速率斬波到數(shù)字的頻率調(diào)制陀螺儀和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MEMS慣性傳感器的溫度補(bǔ)償模型。
為實(shí)現(xiàn)重量輕、成本低和精度高的尋北系統(tǒng)，2015年，B. Johnson等人報(bào)道了用于精確尋北的調(diào)諧叉齒MEMS陀螺儀。采用驅(qū)動(dòng)模式和傳感模式之間的非零頻率間隔設(shè)計(jì)和基于DSP的電子學(xué)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航級(jí)的諧振梳齒MEMS陀螺儀，其偏置穩(wěn)定度為0.03°/h，隨機(jī)游走（ARW）為0.002°/√h。為了滿足對(duì)高性能和穩(wěn)定的慣性傳感器的需求，MEMS陀螺儀要采用閉環(huán)控制方案，與開環(huán)解決方案相比，其具有更高的復(fù)雜性和更大功耗。
為適應(yīng)移動(dòng)產(chǎn)品低功耗的需要，2017年，M. Marx等人報(bào)道了1.71mW功耗、0.9°/h偏置不穩(wěn)定度的CT-△Σ MEMS陀螺儀讀出系統(tǒng)。其傳感器是驅(qū)動(dòng)和傳感的雙諧振MEMS陀螺儀，其讀出系統(tǒng)芯片采用功耗較低的CT-△Σ機(jī)械-電子學(xué)架構(gòu)。在驅(qū)動(dòng)邊為鎖相（PLL）環(huán)基環(huán)路，包含電荷泵、驅(qū)動(dòng)器、AGC、c/v變換、具有電流控制振蕩器的PLL；在傳感邊為CT-△Σ特點(diǎn)的環(huán)路，包含c/v變換、2階Gm-C BPF、噪聲觀察頻率調(diào)諧電路（NOFT）、9位電流DAC和反饋環(huán)路。該電路的設(shè)計(jì)亮點(diǎn)是提出將機(jī)電CT-△Σ架構(gòu)中的電4子帶通濾波器（BPF）的輸入端，嵌入基于噪聲觀測(cè)的頻率調(diào)諧電路；在陀螺儀工作時(shí)，使角速度帶寬和驅(qū)動(dòng)頻率之間的匹配精度優(yōu)于0.25%，且其功耗和面積分別僅為27uW和0.06 mm2。測(cè)量結(jié)果表明，在-30～85℃內(nèi)，該MEMS陀螺儀的平均點(diǎn)噪聲為0. 002°/s/√Hz，偏置不穩(wěn)定度為0. 9°/h。不需要昂貴和耗時(shí)的校準(zhǔn)程序，就能獲得廉價(jià)、穩(wěn)定的振動(dòng)MEMS陀螺儀，也是具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)攻關(guān)。
2018年，P. Minotti等人報(bào)道了高標(biāo)度因子穩(wěn)定性的調(diào)頻MEMS陀螺儀的三軸傳感器和集成電子學(xué)設(shè)計(jì)。采用低功耗、低相位噪聲的頻率調(diào)制工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)度因子穩(wěn)定性的3軸頻率調(diào)制MEMS陀螺儀。采用厚膜外延多晶硅表面微機(jī)械工藝實(shí)現(xiàn)24um厚的內(nèi)平面結(jié)構(gòu)的偏航速率傳感陀螺以及24um厚的外平面結(jié)構(gòu)的俯仰速率傳感陀螺。采用0.35um CMOS工藝實(shí)現(xiàn)低功耗、低相位噪聲的反饋振蕩結(jié)構(gòu)的IC，其包含電容到電壓的放大器、90°移相器、硬限幅器、H橋電路和自動(dòng)增益控制電路。測(cè)試結(jié)果表明，該調(diào)頻MEMS陀螺儀在20～70℃內(nèi)，可重復(fù)性的標(biāo)度因子為0.5%，溫度穩(wěn)定性為35ppm/K，而其電流消耗僅為160uA，同時(shí)其噪聲性能約為10mdps/√Hz。
目前將MEMS陀螺儀速率的測(cè)量變換為頻率偏移的測(cè)量。在這種情況下，標(biāo)度因子是傳感器和讀出電路的復(fù)雜函數(shù)；任何底層參數(shù)的變化都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。2018年，B. Eminoglu等人報(bào)道了具有40ppm標(biāo)度因子精度和1.2°/h偏置穩(wěn)定度的速率斬波到數(shù)字的頻率調(diào)制陀螺儀。其總體的解決方案是直接測(cè)量與速率相關(guān)的頻率，并將頻率與一個(gè)精確的時(shí)鐘參考進(jìn)行比較后，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。傳感器的質(zhì)量塊由兩個(gè)正交諧振器組成，其諧振頻率是由兩個(gè)維持電路激勵(lì)。對(duì)于在x-y通道的位移中每90°的相移，質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)遵循一個(gè)循環(huán)的模式。在此模式中，速率的輸入和質(zhì)量塊振蕩頻率的偏移相關(guān)。其讀出電路包含：跨電容放大器、相移器、振幅檢測(cè)器和可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA），由兩路A/D和DSP實(shí)現(xiàn)頻率到數(shù)字的變換。測(cè)試結(jié)果表明，在非控制環(huán)境溫度下24h，該調(diào)頻MEMS陀螺儀的偏置穩(wěn)定度為1.2°/h，經(jīng)一級(jí)補(bǔ)償后的標(biāo)度因子的誤差小于40ppm。為了開發(fā)MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的全部潛力，提高其精度，開發(fā)一個(gè)與溫度相關(guān)的模型來補(bǔ)償誤差是很有必要的。傳統(tǒng)的溫度補(bǔ)償方法依賴于多項(xiàng)式回歸法，沒有考慮到傳感器誤差中固有的非線性。
2018年，G. Araghi等人報(bào)道了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MEMS慣性傳感器的溫度補(bǔ)償模型。采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為函數(shù)近似的工具，可以獲得傳感器測(cè)量值、溫度和誤差之間的非線性映射。選擇傳感器的溫度和測(cè)量值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，并選擇誤差信號(hào)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。該網(wǎng)絡(luò)通過使用正交最小二乘法來進(jìn)行正向選擇的訓(xùn)練。采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，熱補(bǔ)償被認(rèn)為是函數(shù)逼近問題，在較大溫度范圍內(nèi)能補(bǔ)償加速度計(jì)和陀螺儀的誤差。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和比較，結(jié)果表明，IMU的溫度變化范圍為22~51℃，在MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的靜態(tài)場(chǎng)景中，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法可使兩者的平均誤差改善99%；而采用多項(xiàng)式回歸方法使加速度計(jì)和陀螺儀的平均誤差最大改善分別為69%和87%。在動(dòng)態(tài)測(cè)試中，采用多項(xiàng)式補(bǔ)償和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償技術(shù)對(duì)慣性導(dǎo)航的平均位置誤差分別改善了49%和81%。
2. MEMS壓力智能傳感器
MEMS壓力智能傳感器是最廣泛使用的MEMS產(chǎn)品之一，可用于智能手機(jī)、汽車、航空動(dòng)力學(xué)、工藝控制和生物醫(yī)學(xué)等方面，壓力的傳感范圍也很寬，從微壓、低壓、中壓到高溫高壓。根據(jù)傳感原理，MEMS壓力傳感器可以分為壓阻式、電容式、光學(xué)、諧振傳感器以及其他類型等，其中最常用的是壓阻傳感器，本文以MEMS壓阻傳感器為主、MEMS電容傳感器為輔來分析其發(fā)展特點(diǎn)。
MEMS壓力傳感器的研究始于20世紀(jì)50年代，經(jīng)歷了金屬一光闌壓力傳感器、摻雜劑擴(kuò)散膜的硅壓阻式傳感器、離子注入的硅壓阻式傳感器、硅融合成鍵MEMS傳感器等發(fā)展，于21世紀(jì)初發(fā)展為采用表面微機(jī)械技術(shù)的新一代壓力傳感器。2005年，G. Lammel等人報(bào)道了Bosch公司開發(fā)出新一代MEMS壓力智能傳感器，基于先進(jìn)的多孔Si膜工藝，采用多孔Si和外延以形成帶腔體的Si單晶膜。后來批產(chǎn)的代表產(chǎn)品為BMP085，其電子學(xué)部分包含ADC、控制器、E2PROM和I2C總線等電路，計(jì)算軟件為Bosch公司的C代碼，該傳感器在300～1100hPa的壓力內(nèi)，0～65℃下的壓力絕對(duì)精度為±1.0hPa。近幾年MEMS壓力智能傳感器的研究熱點(diǎn)為新傳感結(jié)構(gòu)、新補(bǔ)償算法與電路設(shè)計(jì)、寬禁帶材料高溫高壓傳感器、壓阻懸臂微傳感器和納米尺度傳感結(jié)構(gòu)。
MEMS壓力智能傳感器具有小尺度、直接信號(hào)變換機(jī)制和成熟制造等特點(diǎn)，但在微壓測(cè)量領(lǐng)域，傳感器的靈敏度和線性度之間的權(quán)衡總是不可調(diào)和的。因此，減輕其敏感性和線性之間的矛盾是提高傳感器精度的關(guān)鍵。2017年，C. Li等人報(bào)道了4個(gè)短梁和一個(gè)中心方形凸起（FBBM）組成的新傳感膜結(jié)構(gòu)的壓阻壓力傳感器的設(shè)計(jì)。通過將4個(gè)短梁引入到膜中，將導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，壓敏電阻器被放置于該區(qū)域，薄膜上的小偏轉(zhuǎn)可改善壓阻靈敏度。此外，具有中心方形凸起的膜可起到減少偏轉(zhuǎn)的作用，從而降低了壓力的非線性。通過有限元分析、傳感器的系列方程的建立和優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得FBBM結(jié)構(gòu)膜的尺寸。設(shè)計(jì)了基于MEMS體微機(jī)械工藝和陽極鍵合技術(shù)的壓力傳感器芯片的主要制造工藝。模擬結(jié)果表明，在室溫下，壓力范圍為0～5 kPa，其靈敏度為4.71mV/V/kPa，低壓力的非線性為0.75%。
智能中央空調(diào)系統(tǒng)中需要高產(chǎn)量、高性能、低量程的壓力傳感器，2017年，H. S. Zou等人報(bào)道了采用體Si下薄膜（TUB）的微機(jī)械技術(shù)的高性能低量程差壓傳感器。在以單圓片為基礎(chǔ)的TUB結(jié)構(gòu)中，壓力所引起的應(yīng)力高度集中在體Si梁一島結(jié)構(gòu)處以便壓阻的讀出，此處在體硅結(jié)構(gòu)下面所形成的薄而均勻的多晶硅隔膜可以承受壓力。梁一島增強(qiáng)結(jié)構(gòu)可以減少偏移以獲得高線性的輸出。在體硅島下面所形成的微柱可作為超限保護(hù)的止動(dòng)器。對(duì)1.2mm x 1.2mm大小的傳感器芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)和圓片制造，測(cè)試結(jié)果表明，在1.2kPa的壓力測(cè)量范圍，其輸出為22mV，具有好的線性度±0.05% FS和100倍過壓力的保護(hù)能力。
2018年，A. V. Tran等人報(bào)道了采用交叉梁膜和半島形相結(jié)合的新傳感膜結(jié)構(gòu)的低壓力傳感器?；趦?yōu)化靈敏度設(shè)計(jì)，采用有限元分析方法，預(yù)測(cè)了在不同壓力下壓電電阻以及膜的撓度所產(chǎn)生的應(yīng)力。模擬結(jié)果表明，和其他傳統(tǒng)的隔膜類型相比，采用該新傳感膜結(jié)構(gòu)的傳感器可以顯著提高靈敏度，而膜偏轉(zhuǎn)和非線性誤差顯著減小。采用體Si微機(jī)械工藝研制出低壓力傳感器，測(cè)試結(jié)果表明，在室溫下，壓力范圍為0～5kPa，其靈敏度為257mV/kPa，全量程的非線性為-0.28%。在壓力變送器應(yīng)用中，經(jīng)常在極端條件下使用，靜態(tài)壓力比壓差的正常工作范圍高出數(shù)百倍，為此壓力變送器所用壓阻壓力傳感器必須具有抗超壓的能力。
2016年，T. Tokuda等人報(bào)道了采用三維刻蝕和晶圓級(jí)疊層加技術(shù)并具有內(nèi)置超壓保護(hù)的新型壓力傳感器。傳感芯片結(jié)構(gòu)由傳感器隔膜、兩個(gè)具有非球面的表面結(jié)構(gòu)的止動(dòng)器上下兩個(gè)玻璃板組成；在止動(dòng)器非球面的表面上制備蜂巢式圖形以防止傳感器隔膜粘在它上面。采用灰度光刻、晶圓級(jí)表面鍵合以及Bosch工藝和非Bosch工藝相結(jié)合等方法實(shí)現(xiàn)該新結(jié)構(gòu)。該傳感器能夠有效地抵抗60MPa的過壓，比正常工作范圍內(nèi)的壓力100kPa高出600倍；此外，還可獲得芯片的壓差和靜態(tài)壓力的高精度測(cè)量值。
壓力測(cè)量系統(tǒng)是石油化工、生物醫(yī)學(xué)、電廠等工業(yè)領(lǐng)域中生產(chǎn)過程和管理的重要設(shè)備。MEMS壓力智能傳感器具有低成本、小尺寸、易制造的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)壓力測(cè)量系統(tǒng)中。由于硅傳感器固有的對(duì)溫度的交叉敏感性，有必要對(duì)熱漂移進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高其精度。2014年，G. W. Zhou等人報(bào)道了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硅壓阻壓力傳感器的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件包括以下模塊：壓力傳感器、溫度傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、微控制單元、液晶顯示器、通信模塊、電源模塊和接口電路。開發(fā)了一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)某绦?，并選擇反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種算法來訓(xùn)練三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0～20 MPa壓力內(nèi)，-20～60℃下，與初始數(shù)據(jù)相比傳感器的最小二乘線性度從1.0819% FS改善到0.19% FS，其精度由0.739 5% FS改善到0.2% FS。主流智能MEMS壓力傳感器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是具有微控制器（uC）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），其中加入壓力傳感器的補(bǔ)償算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字通信。
2016年，A. H. Gonzdlez等人報(bào)道了基于DSP-uC組合MEMS智能壓力傳感器系統(tǒng)。智能壓力傳感器的新架構(gòu)是基于數(shù)字信號(hào)處理器與微控制器組合和采用一種熱補(bǔ)償?shù)姆侄谓扑惴?。其硬件部分包含MEMS壓力傳感器、溫度傳感器、MAXl464型DSP（內(nèi)部集成有運(yùn)算放大器、PGA、MUX、CPU、ADC和DAC）、PIC16F688型微控制器、數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)器和電壓參考源等電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0～10bar（1bar=10?Pa）和0～80℃的條件下，該智能壓力傳感器系統(tǒng)獲得全量程數(shù)字輸出總誤差小于0.15%（包括非線性、不可重復(fù)性、滯后效應(yīng)、對(duì)補(bǔ)償?shù)臒嵝?yīng)和對(duì)跨度誤差的熱效應(yīng)），而全量程模擬輸出總誤差小于0.18%，最小的壓力發(fā)送響應(yīng)時(shí)間為2ms。小尺寸的壓阻式MEMS傳感器通常配置在惠斯登橋電路中，廣泛用于測(cè)量物理信號(hào)如壓力、溫度、力和氣體濃度。在測(cè)量中要對(duì)橋施加直流偏壓，由于橋的電阻很小（通常是1～10k?），所以它非常耗電。
2018年，S. Oh等人報(bào)道了集成于13mm3壓力傳感微系統(tǒng)中的2.5nJ的循環(huán)激勵(lì)的橋一數(shù)字轉(zhuǎn)換器。為降低惠斯登橋的激勵(lì)能量，采用負(fù)載循環(huán)激勵(lì)，與靜態(tài)偏置相比將橋電路激勵(lì)能量降低到1/125，同時(shí)采用節(jié)能的高能效循環(huán)激勵(lì)傳感器讀出電路，使橋電路激勵(lì)能量與靜態(tài)偏置相比降低到1/6000。壓力傳感微系統(tǒng)包括MEMS壓力傳感器、電池和6個(gè)IC層（射頻、電容去耦、處理器、能量采集器、光伏電池和電源管理單元），測(cè)量結(jié)果表明，該微系統(tǒng)在4 ms變換時(shí)間下分辨率達(dá)到1.1mmHg。
航天工業(yè)領(lǐng)域充滿了適應(yīng)惡劣環(huán)境工作的微系統(tǒng)的發(fā)展機(jī)遇。正在開發(fā)可以檢測(cè)飛機(jī)引擎中的氣體排放、溫度、葉尖間隙和壓力等物理量變化的電子系統(tǒng)。寬禁帶半導(dǎo)體材料適合制備高溫工作的電子學(xué)有源器件。2016年，M. C. Scardelletti等人報(bào)道了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)健康監(jiān)測(cè)的封裝電容式壓力傳感器系統(tǒng)。采用SiC MEMS電容壓力傳感器系統(tǒng)，其電子學(xué)基于Clapp型的振蕩器電路，包含6H-SiC MESFET、SiCN MEMS電容壓力傳感器、鈦酸鹽電容器、線繞電感器和厚膜電阻。壓力傳感器作為電容用于LC儲(chǔ)能電路，因此將壓力與振蕩器的諧振頻率相關(guān)聯(lián)。30mm x 70mm尺寸的金屬-氧化鋁封裝的壓力傳感器系統(tǒng)，能可靠地工作在壓力0～350psi（1 psi=6 895 Pa）和溫度25～540℃條件下，壓力靈敏度為6.8 x 10?2MHz/psi。溫度、壓力、燃料流量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的測(cè)量在高溫燃?xì)廨啓C(jī)的評(píng)估中是很重要的。藍(lán)寶石是一種具有高熱導(dǎo)率（40 W/（m·K））的電絕緣陶瓷，具有高熔點(diǎn)（2053℃），在高溫下保持很高的電阻率。
2018年，J. E. Rogers等人報(bào)道了基于藍(lán)寶石的隔膜和結(jié)構(gòu)體的用于惡劣環(huán)境的無源無線微機(jī)電壓力傳感器。該MEMS電容式無源無線壓力傳感器是藍(lán)寶石基的隔膜與結(jié)構(gòu)體以及鉑基的電容器；配置電容元件為槽形天線的一部分，設(shè)計(jì)該天線在遠(yuǎn)場(chǎng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)行，其電路的諧振頻率為15 GHz。電學(xué)接地面位于膈膜的背面，在施加壓力時(shí)膈膜偏轉(zhuǎn)，為此壓力傳感器的電諧振頻率隨施加到隔膜的壓力而改變。該傳感器最高工作溫度可達(dá)1000℃，高溫下的動(dòng)態(tài)壓力靈敏度為21.7kHz/Pa，壓力范圍達(dá)800Pa。
為了克服傳統(tǒng)原子力顯微鏡（AFM）笨重、吞吐量低和操作不便等不足，2004年，S. Hafizovic等人報(bào)道了基于完全集成的壓阻懸臂梁陣列，用于表面成像和力反應(yīng)研究的單芯片機(jī)電微系統(tǒng)。采用全集成壓阻懸臂梁陣列的單片原子力顯微鏡微系統(tǒng)，在片電子學(xué)部分包含模擬信號(hào)放大、具有偏移補(bǔ)償?shù)臑V波級(jí)、模擬數(shù)字變換器、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器和用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男酒瑪?shù)字接口。該微系統(tǒng)大大降低了整體尺寸和成本，并增加了掃描速度，可以用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)制造出來，并在隨后的微加工步驟中形成懸臂。測(cè)量結(jié)果表明，該微系統(tǒng)的力分辨率小于1.1nN，垂直分辨率小于1 nm。MEMS諧振懸臂傳感器可實(shí)現(xiàn)超靈敏的質(zhì)量檢測(cè)，達(dá)到毫微微克的水平，通過進(jìn)一步增加表面積與質(zhì)量比，甚至可以達(dá)到更高水平。該技術(shù)已經(jīng)被廣泛地用于生物分子識(shí)別、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)和DNA鑒定的研究。
由于壓電傳感MEMS諧振器具有自驅(qū)動(dòng)自傳感、超低驅(qū)動(dòng)電壓、低功耗以及與電路阻抗匹配等特點(diǎn)，比電磁諧振等其他模式集成于網(wǎng)絡(luò)傳感系統(tǒng)更具吸引力。但壓電傳感MEMS諧振器的優(yōu)值（Q）有待提高。2008年，J. Lu等人報(bào)道了一種與CMOS兼容的高Q單晶硅懸臂梁，用于超靈敏質(zhì)量檢測(cè)的具有芯片集成壓電驅(qū)動(dòng)器。采用具有在片集成壓電鋯鈦酸鉛（PZT）驅(qū)動(dòng)器的CMOS兼容的單晶硅懸臂梁應(yīng)用于敏感的質(zhì)量檢測(cè)。將PZT驅(qū)動(dòng)器分離出來的設(shè)計(jì)可成功抑制PZT膜上的耗散的能量和其他負(fù)面影響。集成壓敏電阻惠斯登電橋的量規(guī)檢測(cè)諧振頻率，以便更好地集成和CMOS電路兼容。測(cè)試結(jié)果表明，寬為30um、長(zhǎng)為100um的懸臂梁的Q值為1 115，比已報(bào)道的集成微懸臂梁的Q值高幾倍。
開發(fā)納米尺度傳感結(jié)構(gòu)如碳納管（CNT）、石墨烯和納米線，用于壓力傳感器已成為重要發(fā)展方向之一，這些傳感器表現(xiàn)出新穎的靈敏度、快速響應(yīng)和高的空間分辨率等特點(diǎn)。碳納米管具有小尺寸（直徑為1～100nm）、好的電學(xué)和機(jī)械性能。
2015年，A. Gafar等人報(bào)道了基于碳納米管的MEMS壓阻式壓力傳感器。采用電泳微組裝工藝形成的CNT基的MEMS壓阻壓力傳感器，成功地將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）隔膜陣列中的CNT感應(yīng)元件集成在一起，模擬結(jié)果表明，對(duì)于生物相容性和低成本應(yīng)用要求，其可以替代硅壓力傳感器。石墨烯氧化物是石墨烯的一種非常重要的衍生物，是一種具有好的機(jī)械、熱和電氣性能的二維晶體。石墨烯氧化物泡沫具有優(yōu)異的彈性特性和相對(duì)較高介電常數(shù)，它是未來可穿戴電子設(shè)備的一個(gè)新組成部分。
2017年，S. Wan等人報(bào)道了石墨烯氧化物作為電容式壓力傳感器的高性能介電材料的研究。采用濕法涂覆、冷凍和干燥等工藝將石墨烯氧化物泡沫夾在帶有圖形電極的聚酯薄層之間，制備成用氧化石墨烯作為高性能介質(zhì)的電容壓力傳感器，其具有高效、低成本、大面積集成和圖形化等特點(diǎn)。該傳感器可以檢測(cè)到0.24 Pa的微壓力，并具有快速響應(yīng)時(shí)間（約100 ms）和高靈敏度（約0.8 kPa?1）；其靈敏度比聚二甲基硅氧烷層高2 x 103。該傳感器具有良好的耐久性（可經(jīng)受大于1000次的加載/卸載循環(huán)和大于1000次的彎曲實(shí)驗(yàn)）及定位壓力的空間分辨率。
2016年，H. P. Phan等人報(bào)道了自上向下制造的P型3C-SiC納米線（NW）的壓阻效應(yīng)的研究。在Si襯底上外延生長(zhǎng)載流子濃度為5 x 101?的3C-SiC薄膜，采用聚焦離子束工藝制成p型3C-SiC納米線（5um x 300nm x 300nm）。該納米線作為惠斯登橋電路中的一個(gè)壓敏電阻進(jìn)行拉應(yīng)力實(shí)驗(yàn)（0～280u?）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其測(cè)量因子為35，比碳納管和石墨烯等硬材料的測(cè)量因子高一個(gè)數(shù)量級(jí)。SiC NW所具有的較大測(cè)量因子、相關(guān)阻值的變化和施加應(yīng)力之間的線性關(guān)系，顯示出其用于納米機(jī)械系統(tǒng)傳感的潛力。
（未完待續(xù)）
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