MEMS传感器简介

逍遥设计自动化

引言
* P' F# _, b! ]: M7 ]
MEMS传感器是现代技术系统中的基础组件，将机械信息转换为电信号。这类传感器广泛应用于汽车系统和工业监测等领域。本文详细介绍主要的MEMS传感器类型及其工作原理[1]。
5 s/ {: _2 S* V" z/ c1 I

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应变片
* Y6 x& J9 J: Q( w0 f
应变片是基础的机械传感器之一，通过将机械形变转换为电阻变化实现测量。当应变片受到机械应力时，其电阻值会随施加的力而成比例变化。

! F8 j, \$ q( L+ \让我们通过受外力作用的杆件来分析基本原理：

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图1：展示了受外力作用的杆件，说明了纵向和横向应变如何影响材料尺寸。

  D% @# F0 v) q+ U应变片的电阻(R)可以表示为：

R = ρ(Ls/S)

. V  X7 t1 }) f1 k- M其中ρ为电阻率，Ls为长度，S为传感器材料的横截面积。
# W" i  d0 ~4 G' @+ J
应变片主要分为两种：
$ O) f) q- o' X7 a7 [
1. 金属应变片

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图2：典型商用金属应变片的蛇形图案设计布局。

4 a) j* @  ^- O. p2. 半导体应变片
6 K; Y; J( K2 o8 I6 s  T# ?8 f

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; m0 i! E3 T9 _8 l4 L5 r图3：压阻式压力传感器设计，在薄膜上集成了四个压阻器。(a)显示电阻器布局的顶视图。(b)展示薄膜变形的横截面视图。
电容传感器
! \' o! h3 N$ @+ l
: n# i* u4 S* B6 F电容传感器通过测量由机械形变或移动引起的电容变化工作。这类传感器可以检测压力、加速度和位移等多种机械量。

+ K. O% W& }0 |5 M. E8 N0 R( ]基本结构包括：
7 d; d8 ~5 L7 Z: L. ^$ j4 L! `5 K( m

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图4：基本平行板电容传感器结构，展示了极板与介电材料之间的关系。

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图5：各种电容传感器电极配置：(a)共面型，(b)圆柱型，和(c)交叉指型排列。

工作原理可以应用于不同的测量场景：
& s3 ]; d# q2 A# p

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图6：单元电容传感器配置，显示位移如何影响(a)重叠面积，(b)电极间距离，和(c)介电特性。
. `  @' ]1 v2 _0 ]% x8 u0 h( e+ M' c压电传感器
$ F2 b! q0 S- J! Z+ d
" M; z2 E9 g. L# v/ _' q压电传感器利用材料在受到机械应力时产生电荷的特性。这类传感器在动态测量方面表现优异，在特定应用中具有独特优势。

4 s' [8 r; e1 c% ~5 L" J! f- q基本原理如图所示：
* n# D* ^( P- u" ]" ~7 t

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图7：压电材料晶格的二维表示：(a)无应力状态，(b)横向压电效应，(c)纵向压电效应。
2 U$ _* X7 c+ l, D- P* q
常见配置包括：
4 \8 u% @8 |2 d( p

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$ U) ?# Z4 G, I, ?: E图8：不同的压电传感器配置：(a-c)基本力的应用，显示压缩、剪切和弯曲。(d-f)相应的加速度计实现方式。
: S8 p1 u9 Q3 M* C
频率响应特性非常重要：

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图9：压电传感器的典型频率响应曲线，显示平坦工作区域和共振峰。
2 d) q0 s, V( n* J) b/ F性能比较
) N% n8 r0 N9 T# U* T
# j7 N. [9 q" v: }下面对这些不同类型传感器的关键性能指标进行比较：
, e6 ]" N- \& a% k4 |/ k

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每种传感器类型都有其特定优势和局限性，适用于不同的应用场景。应变片适合静态测量，电容传感器具有良好的稳定性和较低的成本，而压电传感器则适合高频动态测量。
# m3 u( M2 s& v
0 h8 B, L! P- Y; m: _4 S本文提供了理解机械传感器及其应用的基础知识。传感器类型的选择取决于具体应用要求，包括测量范围、频率响应、环境条件和成本等因素。
, F( h% L4 G# u# M8 w* x 参考文献
  Y. I2 D2 u$ W& E/ z% X' c# t
5 o  X& P! K% ?+ B" d9 d" E[1] F. Reverter, "A Tutorial on Mechanical Sensors in the 70th Anniversary of the Piezoresistive Effect," Sensors, vol. 24, no. 11, p. 3690, 2024, doi: 10.3390/s24113690.
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