MEMS传感器简介

逍遥设计自动化

引言
! X9 P+ V) P$ R
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]。

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. k( n6 s1 l! W应变片
& J, [- i; u+ ~% b# [, j
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。

让我们通过受外力作用的杆件来分析基本原理：
5 G$ a( z. s1 ?5 I0 O( `9 {: A

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. {) c+ X( q) m; |8 _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。

应变片的电阻(R)可以表示为：
* E( i& Z$ \$ \( N0 O  e! b
$ G( X& M8 [: JR = ρ(Ls/S)
. _6 H9 n/ Z+ Z! O
其中ρ为电阻率，Ls为长度，S为传感器材料的横截面积。
1 C" x4 a- h7 G
应变片主要分为两种：

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。
! o4 [! m! r3 ~3 m6 v' ^
2. 半导体应变片
  \9 B! r" _8 y0 r) C# R5 y

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" j* M: A0 T+ m6 {+ v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
3 b- e% v( {$ U. x" p- n
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。
, E  {9 L. Q) A9 D- g! h
. v! v9 {: g  S) G基本结构包括：
- \" {; |3 u+ v1 f8 T3 |

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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。
! D' \6 W1 t. m& \' C9 h
4 `1 K9 e4 ]( `2 T

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: P! V+ t' v. S! {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。
) H% u" o+ C6 F
% u" Q+ W, G: `  l1 A工作原理可以应用于不同的测量场景：

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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。
压电传感器
6 q0 _8 T+ b# p2 U, f* [6 c  g# X
& F9 G4 S2 ^9 N+ h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。
: R$ U. A7 {  h# O) |$ a' ?5 j- ]
9 p% e, B4 N0 }" h基本原理如图所示：

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% U5 O8 q# W* p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。
% b0 h# m2 k3 B0 ]2 w( F! ]
! u1 F% \6 x7 S常见配置包括：

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- w, H- i& T& P1 D- X7 y/ ~0 Z9 _4 H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。
6 K- Z6 O* _' {0 Y3 K% Z) }9 j% U
9 M! c6 X  q, ~& V8 P& m7 E4 G( |( Y频率响应特性非常重要：
- v+ [5 E4 y" o

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9 @% r$ S7 G+ r. O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。
; g9 Z; L( s4 P2 G5 ]1 d6 `性能比较
5 {% g& D) T6 t* ]1 \  C* X: t5 T& Y! I
下面对这些不同类型传感器的关键性能指标进行比较：

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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。
4 t- G* H8 X4 p- E! ~7 k( }
+ y) O. ?8 A3 i' m) ]# i" j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。
参考文献

[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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