MEMS器件几种常见应用实例及其原理概述

MEMS代表Micro-Electro-Mechanical Systems，它指的是具有电子元件和机械运动部件的微米级设备。MEMS器件可以定义为具有以下特性的器件：

• 以微米为单位的尺寸（1 微米至 100 微米）
• 系统中的电流流动（电气）
• 内部有活动部件（机械）

下面是显微镜下MEMS器件的机械部分的图像，这看起来可能很普通，但你知道吗齿轮的大小是10微米，是人类头发大小的一半。因此，了解如何将如此复杂的结构嵌入到只有几毫米大小的芯片中是非常有意义的事情。

MEMS器件和应用

MEMS技术于1965年首次推出，但直到1980年才开始量产。目前，有超过1000亿个MEMS器件活跃在各种应用中，可以在手机、笔记本电脑、GPS系统、汽车等领域看到它们。  

许多电子元件都采用了MEMS技术，而且它们的数量与日俱增。随着开发更便宜的MEMS设备的进步，未来将会看到它们会应用在更多的领域。

由于MEMS设备的性能优于普通设备，除非有更好的技术发挥作用，否则MEMS将继续保持领先地位。在MEMS技术中，最值得注意的元件是微型传感器和微执行器，它们被适当地归类为传感器。这些传感器将能量从一种形式转换为另一种形式。在微传感器的情况下，该设备通常将测量的机械信号转换为电信号，而微执行器将电信号转换为机械输出。  

下面介绍一些基于MEMS技术的典型传感器。

• 加速度计
• 压力传感器
• 麦克风
• 磁力计
• 陀螺仪

MEMS加速度计

首先简单讨论用于设计MEMS加速度计的工作原理，并考虑如下所示的质量弹簧设置。

在上图中，一个质量块用两个弹簧悬挂在一个封闭的空间中，并且该装置被认为是静止的。现在，如果身体突然开始向前移动，那么悬浮在身体中的质量会受到向后的力，从而导致其位置发生位移。由于这种位移，弹簧会变形，如下图所示：

当我们坐在汽车、公共汽车和火车等任何移动的车辆中时，基本上也会经历这种现象，因此在设计加速度计时使用了相同的原理。

现在考虑一个类似的场景，但我们将使用导电板作为连接到弹簧的移动部件，而不是质量，整个设置将如下所示。

在上图中，将考虑顶部移动板和固定板之间的电容：C1= e 0 A / d1，其中d1是它们之间的距离，在这里可以看到电容C1值与顶部移动板和固定板之间的距离成反比。

底部动板与固定板之间的电容为：C2= e 0 A / d2，其中 d 2是它们之间的距离，可以看到电容C2值与底部移动板和固定板之间的距离成反比。

当身体静止时，顶板和底板与固定板的距离相等，因此电容C1将等于电容C2。但是如果身体突然向前移动，那么板就会发生位移，如下图所示：

此时电容C1随着顶板与固定板之间距离的减小而增大。另一方面，电容C2随着底板和固定板之间距离的增加而减小。这种电容的增加和减少与主体上的加速度成线性比例，因此加速度越高，变化越大，加速度越低，变化越小。

这种变化的电容可以连接到RC振荡器或其他电路，以获得适当的电流或电压读数。在获得所需的电压或电流值后，可以轻松地使用该数据进行进一步分析。

尽管此设置可用于成功测量加速度，但它体积庞大且不实用。但是，如果我们使用MEMS技术，则可以将整个设置缩小到几微米的大小，从而使设备更适用。

在上图中，可以看到MEMS加速度计中使用的实际设置。在这里，多个电容器板在水平和垂直方向上都组织起来，以测量两个方向的加速度。电容器板的尺寸为几微米，整个装置的尺寸将达到几毫米，因此可以轻松地将这款MEMS加速度计用于智能手机等电池供电的便携式设备中。

MEMS压力传感器

众所周知，当对物体施加压力时，它会变形直到达到断裂点。该应变与施加的压力成正比，直到某个极限，并且该属性用于设计MEMS压力传感器。在下图中，可以看到MEMS压力传感器的结构设计：

在这里，两个导体板安装在玻璃体上，它们之间将存在真空。一个导体板是固定的，另一个板是柔性的，可以在压力下移动。现在，如果您使用电容表并在两个输出端子之间读取读数，那么您可以观察到两个平行板之间的电容值，这是因为整个设置充当平行板电容器。由于它充当平行板电容器，因此像往常一样，典型电容器的所有特性现在都适用于它。在静止条件下，将两个板之间的电容称为C1。

现在，如果在顶层施加压力，它将变形并更靠近底层，如图所示。因为层接近，所以两层之间的电容增加。因此，距离越高，电容越低，距离越低，电容越高。如果我们将此电容连接到RC谐振器，那可以获得代表压力的频率信号。该信号可以提供给微控制器以进行进一步处理和数据处理。

MEMS麦克风

MEMS 麦克风的设计类似于压力传感器，下图显示了麦克风的内部结构：

现在考虑设置处于静止状态，在这些条件下，固定板和隔膜之间的电容为C1。

如果环境中有噪音，则声音会通过入口进入设备。这种声音使振膜振动，使振膜与固定板之间的距离不断变化。这又导致电容C1连续变化。如果将这个变化的电容连接到相应的处理芯片，则可以获得变化电容的电输出。因为变化的电容首先与噪声直接相关，所以这个电信号可以用作输入声音的转换形式。

MEMS磁力计

MEMS磁力计用于测量地球磁场，该器件是基于霍尔效应或磁阻效应构造的。大多数MEMS磁力计使用霍尔效应，因此这里将讨论如何使用这种方法来测量磁场强度。为此，需要考虑一块导电板，并将一侧的末端连接到电池，如下图所示。

在这里可以看到电子的流动方向，即从负极到正极。现在，如果将磁铁靠近导体顶部，则导体中的电子和质子会分布，如下图所示。

在上图中，带有正电荷的质子聚集在平面的一侧，而带有负电荷的电子聚集在正好相反的一侧。这时如果拿一个电压表在两端连接，那么就会得到一个读数。该电压读数V1与顶部导体所经历的场强成正比。通过施加电流和磁场产生电压的完整现象称为霍尔效应。

如果使用MEMS设计一个简单的系统，基于上述模型，将得到一个传感器，它可以感应场强并提供线性比例的电输出。

MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪非常流行，并用于许多应用中。例如，可以在飞机、GPS系统、智能手机等中找到MEMS陀螺仪，MEMS陀螺仪是基于科里奥利效应设计的。为了了解MEMS陀螺仪的原理和工作原理，下面来看看它的内部结构。

这里S1、S2、S3和S4是用于连接外环和第二环的弹簧。而S5、S6、S7和S8是用于连接第二个环和质量“M”的弹簧。该质量将沿y轴共振，如图中的方向所示。此外，这种共振效应通常是通过使用MEMS器件中的静电引力来实现的。

在静止条件下，顶层或底层的任意两块极板之间的电容将相同，并且将保持不变，直到这些极板之间的距离发生变化。

假设将这个装置安装在一个旋转的圆盘上，那么板的位置就会发生一定的变化，如下图所示。

当装置安装在旋转圆盘上时，装置内部的质量共振将受到力，导致内部装置发生位移。您可以看到所有四个弹簧S1到S4由于该位移而变形。当突然放置在旋转圆盘上时，共振质量所经历的这种力可以用科里奥利效应来解释。

如果省略复杂的细节，那么可以得出结论，由于方向的突然变化，内层存在位移。这种位移还会导致底层和顶层电容器极板之间的距离发生变化。如前面示例中所解释的，距离的变化会导致电容发生变化，这样就可以使用这个参数来测量放置设备的磁盘的旋转速度。

总结

现今许多其它MEMS设备都是使用MEMS技术设计的，而且它们的数量每天都在增加。但是所有这些器件在工作和设计上都有一定的相似性，所以通过上面几个典型的应用按钮，可以很容易地理解其他类似 MEMS器件的工作原理。