一、MEMS 传感器的概念

MEMS 是微机电系统(Micro - Electro - Mechanical Systems)的缩写。MEMS 传感器则是基于微机电系统技术制造出来的传感器。

它将机械元件、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上，从而实现对物理量(如加速度、压力、温度等)的感知和测量等功能。

MEMS 传感器具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、易于集成等诸多优点，广泛应用于消费电子、汽车、医疗、航空航天等众多领域。

二、MEMS 传感器的分类

(一)按测量物理量分类

加速度传感器：

原理：

基于牛顿第二定律，通过测量惯性质量在加速度作用下产生的惯性力来确定加速度大小。例如，当加速度传感器受到加速度 a 时，质量块 m 会产生一个惯性力 F = ma，通过检测这个力来测量加速度。

应用：

在消费电子中，用于智能手机的姿态检测，如自动旋转屏幕功能;在汽车行业，用于安全气囊的触发系统，当汽车发生碰撞产生较大加速度时，加速度传感器能迅速检测并触发安全气囊。

压力传感器：

原理：

常见的有压阻式和电容式。压阻式压力传感器是利用半导体材料的压阻效应，当受到压力时，材料的电阻发生变化，通过测量电阻变化来测量压力。电容式压力传感器则是通过测量压力变化引起的电容变化来确定压力大小。

应用：

在汽车轮胎压力监测系统(TPMS)中，实时监测轮胎内压力;在气象监测中，用于测量大气压力来预测天气变化。

温度传感器：

原理：

主要有基于半导体材料的热敏电阻效应和热电偶效应。热敏电阻的电阻值会随温度的升高或降低而变化，通过测量电阻变化来测量温度。热电偶是由两种不同的金属材料组成，当两端存在温度差时，会产生热电势，通过测量热电势来确定温度。

应用：

在消费电子中，用于监测设备内部温度，防止过热;在工业生产中，用于监测生产过程中的温度参数，确保生产工艺的准确性。

磁场传感器：

原理：

例如霍尔效应传感器，当电流通过半导体薄片且薄片置于磁场中时，会在垂直于电流和磁场的方向上产生电动势，通过测量这个电动势来测量磁场强度。

应用：

在电子罗盘应用中，用于确定方向;在电机控制中，用于检测电机的磁场，实现精确控制。

(二)按工作原理分类

压阻式传感器：

工作原理：

利用半导体材料的压阻特性，当材料受到外力作用产生应变时，其电阻率会发生变化，导致电阻值改变。通过测量电阻值的变化，可以得到所施加外力的大小或应变的大小。

特点：

灵敏度较高，输出信号易于测量和处理，但受温度影响较大，需要进行温度补偿。

电容式传感器：

工作原理：

基于电容的变化来工作。当被测量的物理量(如压力、位移等)发生变化时，会引起电容器极板间距离、极板面积或介电常数的变化，从而导致电容值改变。通过测量电容值的变化，可以得到相应物理量的大小。

特点：

功耗低、稳定性好、温度系数小，但对制造工艺要求较高，且电容值容易受到外界电场的干扰。

压电式传感器：

工作原理：

利用某些材料(如石英晶体、压电陶瓷等)的压电效应。当这些材料受到外力作用时，其内部会产生极化现象，在材料的两个表面上会产生电荷，电荷的多少与外力的大小成正比。通过测量电荷的多少，可以得到外力的大小。

特点：

具有自发电和可逆性，响应速度快，但输出信号较小，且需要高阻抗的前置放大器。

热电式传感器：

工作原理：

基于热电效应，即两种不同的金属或半导体材料组成的闭合回路，当两个接点存在温度差时，回路中会产生电动势。通过测量电动势的大小，可以得到温度差的大小，进而得到温度的大小。

特点：

测量范围广，响应速度较快，但精度相对较低，且需要进行冷端补偿。