MEMS传感器是当今最热门的传感器种类，MEMS技术使传感器微型化、低功耗、集成化成为可能，是未来传感器技术的发展方向之一。

　　本文编译自传感器宝典——《现代传感器手册——原理、设计和应用》，说明了MEMS电容式传感器、MEMS触觉传感器、MEMS压电式加速度计等常见传感器的原理和构造，可选自己感兴趣的部分MEMS传感器知识阅读。

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　　传感器技术的演进趋势，是向着超小型化或微系统技术（MST）发展。这方面的一个子系统就是MEMS（微电系统）。MEMS器件兼具电子和机械部件，这意味着其中至少有一种可移动或可形变的部件，而电则是其运作的必需部分。

　　另一个子系统称为MEOMS（微光机电系统），基于微电子光学的系统。顾名思义，这种器件中至少有一个部件是光学组件。采用MEMS或MEOMS方法制造的传感器，大都是三维器件，其尺寸在微米量级。

　　微工程学的两大构成，是微电子学和微细加工。在硅片上制造电子电路的微电子学，已经是充分发展的技术。微细加工指的是用于制造微工程学器件的结构和运动部件的技术。

　　微工程学的主要目的之一，就是要能够把微电子电路集成到微机械结构之中，制造完全集成化的系统（微系统）。与微电子工业中制造的硅芯片一样，这种系统也同样具有低成本、高可靠性以及小尺寸的优点。

　　硅微细加工技术也是已充分开发的微细加工技术之一，因此硅成为用于微系统制造的最佳材料。硅材料有着十分有用的电特性和机械特性。利用这些特性，通过MEMS加工技术，硅材料可广泛用于诸如压力、温度、力及触觉传感器等器件的制造。

　　利用在电子电路芯片的制造中已经充分完善的同样方法，薄膜和光刻制备工艺等，能够实现各种各样极其微小和极高精度的机械结构。这些大批量制造技术可用于制造复杂和微型的机械部件，这是用方法难以做到的。

　　本文编译自《现代传感器手册——原理、设计和应用》（第四版，2010年；作者：雅各布•弗瑞登）一书。所谓手册者，即在偏重于实用和参考价值。希望通过本文，可以对如何在具体的细节上设计和制造MEMS类传感器产品窥知一二，进而启迪思维，促进创新。

　　电容式位移传感器具有十分广泛的应用，它们直接用于测量位移和位置，也用于能够产生位移的力、压力、温度等等传感器的构建模块。电容式探测器几乎对所有材料敏感的特性，使其成为很多应用的诱人选择。

　　公式（1）表明，平板电容器的电容反比于平板之间的距离。电容式测量、接近和位置传感器的工作原理，或是基于几何结构的改变（即电容器极板之间的距离），或是在导电或介电材料存在时基于电容值的变化。

　　电容变化时，可转换成变化的电信号。如同很多传感器一样，电容式传感器可以是单极的（仅使用一个电容器），差动的（使用两个电容器），或采用电容式电桥（使用四个电容器）。使用两个或四个电容器时，其中一个或两个电容器可以是定值的，或是反相变化的。

　　作为一个入门的例子，考虑三个面积都为A的等间距极板（图1a）。这些极板形成两个电容C1和C2。给上、下极板施加反相的正弦波信号，即信号相位偏转180°。两个电容几乎彼此相等，因而中心极板对地几乎没有电压——C1和C2上的电荷互相抵消。我们假定中心极板向下移动距离x（图1b）。这导致各电容值发生变化：

　　中心极板的信号与位移成比例增加，信号的相位表明中心极板移动的方向——上或下。输出信号的幅值为

　　在另一种设计中，两个独立的极板采用MEMS技术制造（图2）。极板经硅的微机械加工制成。一个极板作为位移的测量，另一个作为基准。两个极板具有几乎相同的表面积，不过测量极板由四个柔性悬挂支撑，基准极板则由硬性悬挂固定。这种特殊设计对加速度计特别有用。

　　在很多实际应用中，测量至导电物体的距离时，物体的表面本身可以作为电容器的极板。一种单极电容式传感器设计示于图3，其中电容器的一个极板连接至同轴电缆的中心导线，另一个极板由目标（物体）构成。

　　注意这个探头极板由接地护套包围，以使边缘效应最小化，改善线性度。典型的电容式探头工作在3MHz范围的频率，能够非常快地探测移动目标，因为带有内置电子接口的探头的频率响应在40kHz的范围。

　　电容式接近传感器用于导电物体时效率很高。传感器测量电极和物体之间的电容。然而即使是对于不导电物体，这些传感器也能相当有效地使用，尽管精确度稍差。任何物体，不管是导体或非导体，置于电极附近时，都具有其自身的介电特性，会改变电极和传感器封装之间的电容量，进而产生可测量的响应。

　　为了改进灵敏度并减小边缘效应，可为单极电容式传感器提供有源屏蔽。有源屏蔽的目的是消除感应电极和目标物体的无关部分之间的电场，从而使寄生电容几乎不存在。有源屏蔽围绕电极的非工作侧配置，施加与电极相等的电压。因为屏蔽和电极电压同相且幅度相同，在这两者之间和所有位于屏蔽内的部件之间都没有电场存在，对操作不会有影响。有源屏蔽技术在图4中加以说明。

　　现在，电容式电桥在位移传感器设计中越来越常见。一种线性电桥式电容位置传感器示于图5a。传感器由两组平面电极组件构成，平面相互平行，以恒定的间距d相邻。为增加电容，极板组之间的空间相对较小。固定极板组包括四个矩形组件，移动极板组包括两个矩形组件。所有六个组件具有大致相同的尺寸（一个边长为b，另一个边长为L）。在需要大范围的线性度时，每个极板的尺寸要在机械上实际能实现的情况下尽可能的大。固定组的四个电极在电路上交叉连接，从而形成电桥式电容回路。

　　电桥激发源提供正弦电压（5～50kHz），移动极板对之间的电压差由差动放大器检测，放大器输出连接至同步检波器的输入。具有固定间距的两个平行极板的电容，正比于一个极板直接面对另一极板相应区域的面积。图5b表示具有电容电桥结构的传感器的等效电路。电容器C1的值为

　　电容由同一公式导出。要注意相对的电容基本相等：C1=C3，C2=C4。处于完全对称位置的极板相互偏移，导致电桥失衡，产生差动放大器的相敏输出。电容电桥电路的优点是与任何电桥电路一样的：线性度和外部噪声的抑制。除了上述的平板电极，同样的方法可用于传感器的任何对称配置，例如探测转动。

　　加速度计需要特殊的、相对较重的部件，其移动滞后于加速度计外壳的移。