北京航空航天大学仪器光电学院汤章阳
1.MEMS工艺发展
自从1954年Smith在贝尔实验室发现硅压阻效应并发表在Physical Review以来[1]，基于硅材料的微机械加工工艺和微机电系统（MEMS）引起了科研人员的广泛注意，并得到了迅速发展。 MEMS传感器首先在物理量测量中获得成功，代表为微机械压力传感器。目前，以膜片为压力敏感元件的硅微机械压力传感器已经占据了压力传感器市场的很大份额，具有体积小、重量轻和批量化生产的特点，可很好地满足NASA提出的“更快、更远、更便宜”的要求[2]。用于控制诸如机械能、流体能、化学能、磁场能等能量流的微执行器也随后被开发出来，并用于飞机三角翼处流体控制[3]。随着硅材料提纯工艺和硅微机械加工工艺的进步，MEMS技术进一步在加速度、角速度、温度等其他物理量测量得到了迅速的推广。硅微加速度计、硅微机械陀螺等新产品如雨后春笋般涌现出来[4]，从而使得MEMS产品广泛应用于工业生产、日常生活以及国防等各领域。近年来，基于微悬臂梁的原子力显微镜、气体成分敏感探头、分子和细胞微型探测器等高精尖科学仪器突破了传统仪器的显微极限，成为MEMS器件在化学、生物、医学领域大显身手的最佳证据[5]。
国外在MEMS技术方面处于领先地位的国家主要有美国、德国、日本、英国等，我国于上世纪80年代开始追踪国际前沿动态，目前国内研究MEMS的单位主要有中科院电子所、中科院上海微系统与信息技术研究所、清华大学、北京大学、上海复旦大学、西安交通大学、东南大学、北京航空航天大学等[6-9]。 2.MEMS典型传感器
1)硅压阻式传感器
最早的硅压阻压力传感器设计见于美国Motorola公司1973年的专利申请[10]。该设计采用多晶硅和氮化硅的多层结构制作感压膜片，并沉积多晶硅电阻形成检测输出的惠斯通全桥。图1示出了文献10的结构示意图。 图1多晶硅压力传感器结构示意图图2Honeywell公司PPT-R传感器目前，美国Honeywell公司生产的PPT/PPT-R系列高精度压力传感器基于先进的硅压阻技术，压力信号由单片机补偿和用户控制修改，然后在RS232总线上进行数字传输，在全温度范围内具有优异的重复性和稳定性，在-40～＋85℃温度范围内能达到±0.05%FS，并采用防止大多数液体渗漏的金属隔离膜进行封装，广泛应用于航空电子设备，引擎和飞行测试，流量和压力测量中应用。图2为防震压力变送器PPT-R传感器的实物照片。
2)硅谐振式传感器
硅谐振式压力传感器的典型代表是英国J.C.Greenwood设计的蝶形梁压力传感器，如图3所示，采用静电激励、电容检测，在真空度为0.133Pa的情况下，Q值接近10,000[11]。
图3蝶形梁扫描电镜照片图4Druck公司RPT传感器英国Druck公司基于此设计生产了RPT系列的谐振压力传感器，达到了很高的精度和稳定性。该压力传感器对介质密度不敏感，量程为3.5kPa~350kPa；精度达到0.01%FS；稳定性小于100ppm/年。图4为装配后的RPT系列传感器实物图片。
3)MEMS陀螺
最具代表性的MEMS陀螺为英国Draper实验室的双质量块音叉式差动电容变距离检测谐振陀螺，如图5所示，其标称灵敏度为89.729mV/rad/s=4.350185E-4mV/°/h，零点稳定性为：10~100°/h[12]。
图5英国Draper实验室的双质量块音叉式差动电容变距离检测谐振陀螺
这种结构的谐振陀螺因为其成功的结构设计，被世界各个国家的研究机构仿制研究，并被很多公司采纳，首先进入实用化阶段，至今已有近15年的历史，已生产并销售近千万套，成功应用于军民各种领域的惯性测量系统中。
参考文献：
[1]Robert Bogue.MEMS sensors:past,present and future.Sensor Review,2007,v27(1)
[2]Eatony W P,Smith J H.Micromachined pressure sensors:review and recent developments.
Smart Mater.Struct,1997,v6
[3]Janson S.W.,Helvajian,K B.MEMS,microengineering and aerospace systems.AIAA
99-3802
[4]Masako Tanaka.An industrial and applied review of new MEMS devices features.
Microelectronic Engineering,2007,v84
[5]Nickolay V.L,Michael J.S,Panos G.D.Cantilever transducers as a platform for chemical
and biological sensors.Review of scientific instruments,2007,v75(7)
[6]黄俊钦，樊尚春，刘广玉：微传感器最新发展，航空计测技术[J]，2003,v23(1)
[7]焦正，吴明红.日本基于MEMS传感器的研究进展，传感器世界，2004年1月
[8]乔治，金庆辉，许宝建等.基于MEMS的生物微喷点样技术研究现状与展望，微纳电
子技术，2006,(10)
[9]Gurtler et.al.Polycrystal silicon pressure sensor.US3858150,1974
[10]Greenwood J.C.Etched silicon vibrating sensor,J.Phys.E:Sci.Instrum.,1984,v17
[11]Bernstein J,Cho S,King A T,et al.A micromachined comb-drive tuning fork rate gyroscope.
Micro electro-mechanical systems.MEMS'93,1993
汤章阳（1985~），女，现为北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院精密仪器及机械专业在读博士
研究生，主要研究方向为硅微机械谐振式传感器及其信号调理电路。在读期间曾获北航光华奖学金，申请发明专利1项。
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