MEMS智能感測器技術的新進展
引言
信息社會已步入智能時代發展階段，智能手機、智能可穿戴設備、無線智能網路、智能汽車、智能無人機和智能機器人等智能設備的創新與發展正在或將要改變信息社會的各個方面，而作為智能時代發展的基礎和關鍵技術之一，MEMS智能感測器也已進入快速發展的新階段。
20世紀70年代後期隨著微電子的發展，可賦予感測器以「智能」的功能，人們提出智能感測器的概念，其包含感測器、執行器、合適的電源、內在的計算能力、用於數字信息的通信介面和標識。
20世紀80年代初期，研究人員開始直接以硅(Si)材料實現機械器件，由於微電子二維的加工技術向三維加工的擴展，有可能實現Si的機械器件和微電子的集成，1986年美國DARPA在提案中提出了微機電系統(MEMS）的概念；1987年，人們在Si晶元上研製出可動的微部件、齒輪、渦輪等，成為MEMS研究的重要標誌。這種Si晶元上的微小機器在日本被稱為微機械，在歐洲被稱為微系統，其具有三大特徵：小型化、多樣性和微電子學。
MEMS技術用於感測器製造可使感測器尺寸更小、精度更高和具有大量生產的潛力，MEMS技術和微電子技術在感測器領域的結合使MEMS智能感測器應運而生。20世紀90年代初，溫度、振動和衝擊的MEMS智能感測器開始用於航天發射運載的健康管理；此後，MEMS智能感測器用於小型化的慣性導航系統、微型智能感測和汽車工業的安全系統。
進入21世紀，MEMS智能感測器進入了消費電子領域，2007年三軸MEMS加速度計用於智能手機成為MEMS智能感測器發展的分水嶺，新一代MEMS智能感測器成為移動網路智能終端的顛覆性技術，開啟了移動智能網路的新發展。智能時代的開啟要求MEMS智能感測器向低成本、多感測器集成、更高精度、遠程監控和自適應感測器網路介面等方向發展，使MEMS智能感測器的感測部分和電子學架構均有長足的進展。
博世BHI160BP，業內首款為可穿戴設備設計的位置跟蹤智能感測器
MEMS智能感測器的種類很多，本文選擇其中用量較大、發展較快的慣性、壓力、溫度和生化等新一代MEMS智能感測器作為典型代表，分析其應用背景和技術的發展特點，介紹其近期的技術創新發展，以便把握MEMS智能感測器的發展動向。
1. MEMS慣性智能感測器
MEMS慣性智能感測器是應用最多的智能感測器，如MEMS加速度計、陀螺儀和慣性測量單元等智能感測器已廣泛應用於智能手機、平板電腦和可穿戴智能硬體，其發展方向是新一代電子學架構、多功能集成和高精度。IEEE 1451標準把智能感測器定義為具有小內存和能與處理器和數據網路進行通信的標準物理連接的感測器，由具有信號調製的感測器、嵌入式演算法和數字介面等三者相結合而成。
2016年，R. L. Leal等人將目前感測器發展分為五代，其中第三代到第五代為智能感測器。第一代感測器中不包含電子學部分；第二代感測器是感測系統的一部分，並採用感測器的遠程控制；第三代感測器包含MEMS感測和信號放大等信號調節；第四代感測器包含MEMS感測、信號處理、信號調節和數字埠等，允許感測器定址並可通過感測器和微控制器之間的通信來實現自我評估的功能；第五代感測器包含多個MEMS感測、信號調節、微控制器、數字埠和ADC等，具有指令和數據的雙向的通信、全數字化傳輸、本地數字處理、自我測試、用戶定義演算法和補償演算法等特點。
為應對多個感測器數據融合的新挑戰，目前新一代MEMS慣性智能感測器已應運而生。2011年，S. G. Ducouret報道了新一代智能感測器，其代表是飛思卡爾半導體公司開發的三軸MEMS加速度計MMA9550L，在電子學方面的設計特點是增加了嵌入式32位微處理器、Flash、RAM和ROM等IC，以適應低成本處理數據和靈活重新配置內嵌的功能以及融合外部感測器數據。
為適應增強現實、沉浸式遊戲、個人健康與健身、室內導航和其他需要環境意識的智能硬體應用的需要，2013年，S. Finkbeiner報道了Bosch公司開發的尺寸為3.0 mm x 4.5 mm x 0.95 mm的系統級封裝（SiP）集成的九軸MEMS智能感測器BNO055，感測部分包含三軸12位加速度計、三軸16位陀螺儀和三軸地磁感測器，其電子學部分包括可運行感測器數據融合軟體BSX3.0的32位微控制器；其中的BSX3.0軟體可將來自多個感測器的原始數據融合至最佳性能，並具有支撐九軸的感測器、嵌入式微控制器和外部應用處理器等運行的功能，其能夠和微軟、安卓等軟體兼容並具有可擴展架構。
為適應可穿戴設備和物聯網對結構緊湊、多功能感測的需求，2017年，F. Y. Kuo等人報道了基於諧振的MEMS結構的單片多感測器設計，採用0.18 um 1P6M CMOS/MEMS工藝，以諧振器作為基本構建塊，其中多個MEMS感測器包括環境溫度感測器、環境壓力感測器、加速度計和陀螺儀感測器，並可以通過單一標準ASIC/MEMS的讀出電路和嵌入式MCU實現單片集成，其中嵌入式MCU負責數據變換和多感測融合。
在無GPS的環境下，精確的個人慣性導航系統對於要求苛刻的應用，如消防和救援任務等是至關重要的。2018年，Q. B. GHO等人報道了採用MEMS可穿戴地面反應感測器陣列和介面ASIC的個人慣性導航系統。該系統的MEMS IMU包含三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸地磁感測器，陀螺儀和地磁感測器結合可提供取向信息，在時間上積累的加速度數據可得到距離信息。為了實現高性能導航，當腳接觸地面時，準確地重置IMU的每一步中時間積分是至關重要的。採用MEMS地面反應感測器陣列和一個介面ASIC能夠準確地探測到地面上的時間。採用高度系統集成方法設計了低功耗的CMOS集成電路，並與有效的系統校準技術及感測器數據融合和處理演算法相結合，實現了該個人慣性導航系統在3km步行距離時，無GPS的位置精度達到5.5m。
為了適應設備導航級應用的需求，高精度MEMS慣性智能感測器也是重要的發展方向。其中MEMS加速度計的創新技術有：閉環MEMS加速度計感測器和電子學閉環系統架構的創新設計；亞心偏差不穩定性的低功耗MEMS硅諧振加速度計的設計；微型低成本精密石英擺式加速度計與閉環配置的電子伺服迴路的設計以及具有自恢複信噪比功能的地震檢測的CMOS MEMS加速度計設計。
為了達到慣性導航等級加速度計性能的要求，2016年，B. Grinberg等人報道了閉環MEMS加速度計的設計與生產。感測器採用SOI晶元內平面技術，其優點是可實現抑制寄生效應的全橋電容感應；採用高度對稱的機械結構以獲得更好的溫度穩定性和不需要真空封裝；採用大質量塊的設計有助於增強敏感度。電子學閉環系統架構採用4級△Σ調製器將外部加速度轉換為高頻率信號和比特數字信號；其設計的重點包括精確的時鐘、高穩定參考電壓和管理配置各系統參數的微控制器，以改善雜訊、線性和穩定性。MAXL-CL- 3030閉環加速度計的測試結果證實了導航級設計，偏置穩定性<20 ug，典型非線性為0.01%，在20～2 000Hz的頻率範圍內振動校正誤差小於10 ug/g2rms。
實現導航應用的關鍵任務對於MEMS加速度計是一重大挑戰。硅諧振加速度計在大線性範圍內具有優勢，其標度因子具有良好的穩定性，以及調頻輸出的准數字性質，可有助於讀出系統免於電路塊參數變化的影響。2016年，J. Zhao等人報道了具有亞ug偏差不穩定性和30g全量程的低功耗MEMS硅諧振加速度計。MEMS感測器的結構包含質量塊、兩個槓桿和兩個諧振，採用晶圓級真空封裝的80um厚的SOI工藝實現。MEMS諧振器嵌入振蕩環路中，振蕩維持電路包含低雜訊前端放大、VGA、低雜訊自動放大控制電路等。測試結果表明，該硅諧振加速度計在±30g全量程範圍，偏置不穩定度小於1ug，速度隨機遊走為2.5 ug/√Hz，其諧振頻率為15 kHz，功耗在1.5 V下為3.5 mw。
加速度計是捷聯式慣性導航系統的關鍵器件之一，可測量一些加速度，以獨立的方式為主機運載提供指導和飛行控制參數。為了適應高動態、精確制導系統的要求，2017年，J. Beitia等人報道了用於高動態、精確制導系統的微型加速度計。該微型低成本精密石英擺式加速度計，其質量塊是由直徑12mm的高純熔融石英晶片通過兩個厚15um鉸鏈連接到一個剛性圓盤結構外框的結構所組成，質量塊和兩個對稱磁結構之間的氣隙為20um。為了獲得較低的偏置振動校正誤差，採用閉環配置的電子伺服迴路，通過適當的優化增益設計和優化加速度計設計，以減少由於電極的氣隙中氣體的不對稱行為引起的轉動剛度不匹配。測試結果表明，石英擺式加速度計在80g的動態範圍下，在50～200Hz和750～2000Hz的頻段下的振動校正誤差分別小於10和25ug/g2rms，標度因子溫度穩定性小於100ppm，其尺寸為直徑18mm、高度11mm，質量為25g。
2018年，C. T. Chiang報道了用於物聯網設備中的地震檢測的CMOS MEMS加速度計設計。採用0.35um 2P4M具有3V電源的CMOS技術實現單片集成，其電容式加速度計的質量塊和梳齒結構的電極均由SiO2製備，採用應力補償框架的設計以減少殘留應力。CMOS感測電路包含：電容一電壓變換器、解調斬波器、5級開關電容低通濾波器、可編程增益放大器和4級△Σ調製器（DSM）。同時DSM還有兩路反饋迴路，由整流器、峰值檢波器和靜電力感測器組成。測試結果表明，該加速度計的連續時間電壓模擬感測電路的敏感度為131.99mV/g，在0.25～6.75g內的最大的非線性是1.21%，本底雜訊是0.579mg/√Hz，y軸和z軸的非線性分別小於0.05%和1.38%。加速度計經連續三周不停顫抖試驗後，峰值信噪比（SNDR）下降為49.1dB，但在0.5s內其會自動清零，使感測器的峰值SNDR達到75.2dB。晶元面積為3030um x 2997um，3V下的功耗為5.2mW。
提高MEMS陀螺儀的設計創新技術有：採用驅動模式和感測模式之間具有非零頻率間隔和基於DSP的電子學調諧叉齒MEMS陀螺儀；低功耗、低偏置不穩定度的CT- △Σ MEMS陀螺儀讀出系統；採用低功耗、低相位雜訊的頻率調製工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙感測器系統相結合；高標度因子精度和高偏置穩定度的速率斬波到數字的頻率調製陀螺儀和基於神經網路的MEMS慣性感測器的溫度補償模型。
為實現重量輕、成本低和精度高的尋北系統，2015年，B. Johnson等人報道了用於精確尋北的調諧叉齒MEMS陀螺儀。採用驅動模式和感測模式之間的非零頻率間隔設計和基於DSP的電子學，實現了導航級的諧振梳齒MEMS陀螺儀，其偏置穩定度為0.03°/h，隨機遊走(ARW）為0.002°/√h。為了滿足對高性能和穩定的慣性感測器的需求，MEMS陀螺儀要採用閉環控制方案，與開環解決方案相比，其具有更高的複雜性和更大功耗。
為適應移動產品低功耗的需要，2017年，M. Marx等人報道了1.71mW功耗、0.9°/h偏置不穩定度的CT-△Σ MEMS陀螺儀讀出系統。其感測器是驅動和感測的雙諧振MEMS陀螺儀，其讀出系統晶元採用功耗較低的CT-△Σ機械-電子學架構。在驅動邊為鎖相（PLL）環基環路，包含電荷泵、驅動器、AGC、c/v變換、具有電流控制振蕩器的PLL；在感測邊為CT-△Σ特點的環路，包含c/v變換、2階Gm-C BPF、雜訊觀察頻率調諧電路（NOFT)、9位電流DAC和反饋環路。該電路的設計亮點是提出將機電CT-△Σ架構中的電4子帶通濾波器(BPF）的輸入端，嵌入基於雜訊觀測的頻率調諧電路；在陀螺儀工作時，使角速度帶寬和驅動頻率之間的匹配精度優於0.25%，且其功耗和面積分別僅為27uW和0.06 mm2。測量結果表明，在-30～85℃內，該MEMS陀螺儀的平均點雜訊為0. 002°/s/√Hz，偏置不穩定度為0. 9°/h。不需要昂貴和耗時的校準程序，就能獲得廉價、穩定的振動MEMS陀螺儀，也是具有挑戰性的技術攻關。
2018年，P. Minotti等人報道了高標度因子穩定性的調頻MEMS陀螺儀的三軸感測器和集成電子學設計。採用低功耗、低相位雜訊的頻率調製工作的IC和具有偏航速率與俯仰速率的雙感測器系統設計相結合，實現高標度因子穩定性的3軸頻率調製MEMS陀螺儀。採用厚膜外延多晶硅表面微機械工藝實現24um厚的內平面結構的偏航速率感測陀螺以及24um厚的外平面結構的俯仰速率感測陀螺。採用0.35um CMOS工藝實現低功耗、低相位雜訊的反饋振蕩結構的IC，其包含電容到電壓的放大器、90°移相器、硬限幅器、H橋電路和自動增益控制電路。測試結果表明，該調頻MEMS陀螺儀在20～70℃內，可重複性的標度因子為0.5%，溫度穩定性為35ppm/K，而其電流消耗僅為160uA，同時其雜訊性能約為10mdps/√Hz。
目前將MEMS陀螺儀速率的測量變換為頻率偏移的測量。在這種情況下，標度因子是感測器和讀出電路的複雜函數；任何底層參數的變化都會導致測量誤差。2018年，B. Eminoglu等人報道了具有40ppm標度因子精度和1.2°/h偏置穩定度的速率斬波到數字的頻率調製陀螺儀。其總體的解決方案是直接測量與速率相關的頻率，並將頻率與一個精確的時鐘參考進行比較後，將其轉換為數字輸出。感測器的質量塊由兩個正交諧振器組成，其諧振頻率是由兩個維持電路激勵。對於在x-y通道的位移中每90°的相移，質量塊的運動遵循一個循環的模式。在此模式中，速率的輸入和質量塊振蕩頻率的偏移相關。其讀出電路包含：跨電容放大器、相移器、振幅檢測器和可變增益放大器(VGA），由兩路A/D和DSP實現頻率到數字的變換。測試結果表明，在非控制環境溫度下24h，該調頻MEMS陀螺儀的偏置穩定度為1.2°/h，經一級補償後的標度因子的誤差小於40ppm。為了開發MEMS慣性導航系統的全部潛力，提高其精度，開發一個與溫度相關的模型來補償誤差是很有必要的。傳統的溫度補償方法依賴於多項式回歸法，沒有考慮到感測器誤差中固有的非線性。
2018年，G. Araghi等人報道了基於神經網路的MEMS慣性感測器的溫度補償模型。採用徑向基函數神經網路作為函數近似的工具，可以獲得感測器測量值、溫度和誤差之間的非線性映射。選擇感測器的溫度和測量值作為神經網路的輸入，並選擇誤差信號作為神經網路輸出。該網路通過使用正交最小二乘法來進行正向選擇的訓練。採用徑向基函數神經網路，熱補償被認為是函數逼近問題，在較大溫度範圍內能補償加速度計和陀螺儀的誤差。經實驗驗證和比較，結果表明，IMU的溫度變化範圍為22~51℃，在MEMS加速度計和陀螺儀的靜態場景中，基於神經網路的方法可使兩者的平均誤差改善99%；而採用多項式回歸方法使加速度計和陀螺儀的平均誤差最大改善分別為69%和87%。在動態測試中，採用多項式補償和神經網路補償技術對慣性導航的平均位置誤差分別改善了49%和81%。
2. MEMS壓力智能感測器
MEMS壓力智能感測器是最廣泛使用的MEMS產品之一，可用於智能手機、汽車、航空動力學、工藝控制和生物醫學等方面，壓力的感測範圍也很寬，從微壓、低壓、中壓到高溫高壓。根據感測原理，MEMS壓力感測器可以分為壓阻式、電容式、光學、諧振感測器以及其他類型等，其中最常用的是壓阻感測器，本文以MEMS壓阻感測器為主、MEMS電容感測器為輔來分析其發展特點。
MEMS壓力感測器的研究始於20世紀50年代，經歷了金屬一光闌壓力感測器、摻雜劑擴散膜的硅壓阻式感測器、離子注入的硅壓阻式感測器、硅融合成鍵MEMS感測器等發展，於21世紀初發展為採用表面微機械技術的新一代壓力感測器。2005年，G. Lammel等人報道了Bosch公司開發出新一代MEMS壓力智能感測器，基於先進的多孔Si膜工藝，採用多孔Si和外延以形成帶腔體的Si單晶膜。後來批產的代表產品為BMP085，其電子學部分包含ADC、控制器、E2PROM和I2C匯流排等電路，計算軟體為Bosch公司的C代碼，該感測器在300～1100hPa的壓力內，0～65℃下的壓力絕對精度為±1.0hPa。近幾年MEMS壓力智能感測器的研究熱點為新感測結構、新補償演算法與電路設計、寬禁帶材料高溫高壓感測器、壓阻懸臂微感測器和納米尺度感測結構。
MEMS壓力智能感測器具有小尺度、直接信號變換機制和成熟製造等特點，但在微壓測量領域，感測器的靈敏度和線性度之間的權衡總是不可調和的。因此，減輕其敏感性和線性之間的矛盾是提高感測器精度的關鍵。2017年，C. Li等人報道了4個短梁和一個中心方形凸起(FBBM）組成的新感測膜結構的壓阻壓力感測器的設計。通過將4個短梁引入到膜中，將導致出現應力集中區域，壓敏電阻器被放置於該區域，薄膜上的小偏轉可改善壓阻靈敏度。此外，具有中心方形凸起的膜可起到減少偏轉的作用，從而降低了壓力的非線性。通過有限元分析、感測器的系列方程的建立和優化設計以獲得FBBM結構膜的尺寸。設計了基於MEMS體微機械工藝和陽極鍵合技術的壓力感測器晶元的主要製造工藝。模擬結果表明，在室溫下，壓力範圍為0～5 kPa，其靈敏度為4.71mV/V/kPa，低壓力的非線性為0.75%。
智能中央空調系統中需要高產量、高性能、低量程的壓力感測器，2017年，H. S. Zou等人報道了採用體Si下薄膜（TUB）的微機械技術的高性能低量程差壓感測器。在以單圓片為基礎的TUB結構中，壓力所引起的應力高度集中在體Si梁一島結構處以便壓阻的讀出，此處在體硅結構下面所形成的薄而均勻的多晶硅隔膜可以承受壓力。梁一島增強結構可以減少偏移以獲得高線性的輸出。在體硅島下面所形成的微柱可作為超限保護的止動器。對1.2mm x 1.2mm大小的感測器晶元進行設計和圓片製造，測試結果表明，在1.2kPa的壓力測量範圍，其輸出為22mV，具有好的線性度±0.05% FS和100倍過壓力的保護能力。
2018年，A. V. Tran等人報道了採用交叉梁膜和半島形相結合的新感測膜結構的低壓力感測器。基於優化靈敏度設計，採用有限元分析方法，預測了在不同壓力下壓電電阻以及膜的撓度所產生的應力。模擬結果表明，和其他傳統的隔膜類型相比，採用該新感測膜結構的感測器可以顯著提高靈敏度，而膜偏轉和非線性誤差顯著減小。採用體Si微機械工藝研製出低壓力感測器，測試結果表明，在室溫下，壓力範圍為0～5kPa，其靈敏度為257mV/kPa，全量程的非線性為-0.28%。在壓力變送器應用中，經常在極端條件下使用，靜態壓力比壓差的正常工作範圍高出數百倍，為此壓力變送器所用壓阻壓力感測器必須具有抗超壓的能力。
2016年，T. Tokuda等人報道了採用三維刻蝕和晶圓級疊層加技術並具有內置超壓保護的新型壓力感測器。感測晶元結構由感測器隔膜、兩個具有非球面的表面結構的止動器上下兩個玻璃板組成；在止動器非球面的表面上製備蜂巢式圖形以防止感測器隔膜粘在它上面。採用灰度光刻、晶圓級表面鍵合以及Bosch工藝和非Bosch工藝相結合等方法實現該新結構。該感測器能夠有效地抵抗60MPa的過壓，比正常工作範圍內的壓力100kPa高出600倍；此外，還可獲得晶元的壓差和靜態壓力的高精度測量值。
壓力測量系統是石油化工、生物醫學、電廠等工業領域中生產過程和管理的重要設備。MEMS壓力智能感測器具有低成本、小尺寸、易製造的特點，廣泛應用於工業壓力測量系統中。由於硅感測器固有的對溫度的交叉敏感性，有必要對熱漂移進行溫度補償以提高其精度。2014年，G. W. Zhou等人報道了基於神經網路的硅壓阻壓力感測器的溫度補償系統。系統硬體包括以下模塊：壓力感測器、溫度感測器、信號調節模塊、微控制單元、液晶顯示器、通信模塊、電源模塊和介面電路。開發了一種利用神經網路進行溫度補償的程序，並選擇反向傳播神經網路和徑向基函數神經網路兩種演算法來訓練三層神經網路。實驗結果表明，在0～20 MPa壓力內，-20～60℃下，與初始數據相比感測器的最小二乘線性度從1.0819% FS改善到0.19% FS，其精度由0.739 5% FS改善到0.2% FS。主流智能MEMS壓力感測器的設計特點是具有微控制器（uC）或數字信號處理器（DSP），其中加入壓力感測器的補償演算法，進而實現了數字通信。
2016年，A. H. Gonzdlez等人報道了基於DSP-uC組合MEMS智能壓力感測器系統。智能壓力感測器的新架構是基於數字信號處理器與微控制器組合和採用一種熱補償的分段近似演算法。其硬體部分包含MEMS壓力感測器、溫度感測器、MAXl464型DSP（內部集成有運算放大器、PGA、MUX、CPU、ADC和DAC)、PIC16F688型微控制器、數字輸出驅動器和電壓參考源等電路。實驗結果表明，在0～10bar(1bar=10?Pa）和0～80℃的條件下，該智能壓力感測器系統獲得全量程數字輸出總誤差小於0.15%（包括非線性、不可重複性、滯後效應、對補償的熱效應和對跨度誤差的熱效應），而全量程模擬輸出總誤差小於0.18%，最小的壓力發送響應時間為2ms。小尺寸的壓阻式MEMS感測器通常配置在惠斯登橋電路中，廣泛用於測量物理信號如壓力、溫度、力和氣體濃度。在測量中要對橋施加直流偏壓，由於橋的電阻很小（通常是1～10kΩ），所以它非常耗電。
2018年，S. Oh等人報道了集成於13mm3壓力感測微系統中的2.5nJ的循環激勵的橋一數字轉換器。為降低惠斯登橋的激勵能量，採用負載循環激勵，與靜態偏置相比將橋電路激勵能量降低到1/125，同時採用節能的高能效循環激勵感測器讀出電路，使橋電路激勵能量與靜態偏置相比降低到1/6000。壓力感測微系統包括MEMS壓力感測器、電池和6個IC層（射頻、電容去耦、處理器、能量採集器、光伏電池和電源管理單元），測量結果表明，該微系統在4 ms變換時間下解析度達到1.1mmHg。
航天工業領域充滿了適應惡劣環境工作的微系統的發展機遇。正在開發可以檢測飛機引擎中的氣體排放、溫度、葉尖間隙和壓力等物理量變化的電子系統。寬禁帶半導體材料適合製備高溫工作的電子學有源器件。2016年，M. C. Scardelletti等人報道了飛機發動機健康監測的封裝電容式壓力感測器系統。採用SiC MEMS電容壓力感測器系統，其電子學基於Clapp型的振蕩器電路，包含6H-SiC MESFET、SiCN MEMS電容壓力感測器、鈦酸鹽電容器、線繞電感器和厚膜電阻。壓力感測器作為電容用於LC儲能電路，因此將壓力與振蕩器的諧振頻率相關聯。30mm x 70mm尺寸的金屬-氧化鋁封裝的壓力感測器系統，能可靠地工作在壓力0～350psi(1 psi=6 895 Pa）和溫度25～540℃條件下，壓力靈敏度為6.8 x 10?2MHz/psi。溫度、壓力、燃料流量和轉子轉速的測量在高溫燃氣輪機的評估中是很重要的。藍寶石是一種具有高熱導率（40 W/(m·K））的電絕緣陶瓷，具有高熔點(2053℃），在高溫下保持很高的電阻率。
2018年，J. E. Rogers等人報道了基於藍寶石的隔膜和結構體的用於惡劣環境的無源無線微機電壓力感測器。該MEMS電容式無源無線壓力感測器是藍寶石基的隔膜與結構體以及鉑基的電容器；配置電容元件為槽形天線的一部分，設計該天線在遠場感應機構中運行，其電路的諧振頻率為15 GHz。電學接地面位於膈膜的背面，在施加壓力時膈膜偏轉，為此壓力感測器的電諧振頻率隨施加到隔膜的壓力而改變。該感測器最高工作溫度可達1000℃，高溫下的動態壓力靈敏度為21.7kHz/Pa，壓力範圍達800Pa。
為了克服傳統原子力顯微鏡（AFM）笨重、吞吐量低和操作不便等不足，2004年，S. Hafizovic等人報道了基於完全集成的壓阻懸臂樑陣列，用於表面成像和力反應研究的單晶元機電微系統。採用全集成壓阻懸臂樑陣列的單片原子力顯微鏡微系統，在片電子學部分包含模擬信號放大、具有偏移補償的濾波級、模擬數字變換器、強大的數字信號處理器和用於數據傳輸的晶元數字介面。該微系統大大降低了整體尺寸和成本，並增加了掃描速度，可以用標準的CMOS技術製造出來，並在隨後的微加工步驟中形成懸臂。測量結果表明，該微系統的力解析度小於1.1nN，垂直解析度小於1 nm。MEMS諧振懸臂感測器可實現超靈敏的質量檢測，達到毫微微克的水平，通過進一步增加表面積與質量比，甚至可以達到更高水平。該技術已經被廣泛地用於生物分子識別、生物醫學檢測和DNA鑒定的研究。
由於壓電感測MEMS諧振器具有自驅動自感測、超低驅動電壓、低功耗以及與電路阻抗匹配等特點，比電磁諧振等其他模式集成於網路感測系統更具吸引力。但壓電感測MEMS諧振器的優值（Q）有待提高。2008年，J. Lu等人報道了一種與CMOS兼容的高Q單晶硅懸臂樑，用於超靈敏質量檢測的具有晶元集成壓電驅動器。採用具有在片集成壓電鋯鈦酸鉛(PZT）驅動器的CMOS兼容的單晶硅懸臂樑應用于敏感的質量檢測。將PZT驅動器分離出來的設計可成功抑制PZT膜上的耗散的能量和其他負面影響。集成壓敏電阻惠斯登電橋的量規檢測諧振頻率，以便更好地集成和CMOS電路兼容。測試結果表明，寬為30um、長為100um的懸臂樑的Q值為1 115，比已報道的集成微懸臂樑的Q值高几倍。
開發納米尺度感測結構如碳納管（CNT）、石墨烯和納米線，用於壓力感測器已成為重要發展方向之一，這些感測器表現出新穎的靈敏度、快速響應和高的空間解析度等特點。碳納米管具有小尺寸（直徑為1～100nm）、好的電學和機械性能。
2015年，A. Gafar等人報道了基於碳納米管的MEMS壓阻式壓力感測器。採用電泳微組裝工藝形成的CNT基的MEMS壓阻壓力感測器，成功地將聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）隔膜陣列中的CNT感應元件集成在一起，模擬結果表明，對於生物相容性和低成本應用要求，其可以替代硅壓力感測器。石墨烯氧化物是石墨烯的一種非常重要的衍生物，是一種具有好的機械、熱和電氣性能的二維晶體。石墨烯氧化物泡沫具有優異的彈性特性和相對較高介電常數，它是未來可穿戴電子設備的一個新組成部分。
2017年，S. Wan等人報道了石墨烯氧化物作為電容式壓力感測器的高性能介電材料的研究。採用濕法塗覆、冷凍和乾燥等工藝將石墨烯氧化物泡沫夾在帶有圖形電極的聚酯薄層之間，製備成用氧化石墨烯作為高性能介質的電容壓力感測器，其具有高效、低成本、大面積集成和圖形化等特點。該感測器可以檢測到0.24 Pa的微壓力，並具有快速響應時間（約100 ms）和高靈敏度（約0.8 kPa?1)；其靈敏度比聚二甲基硅氧烷層高2 x 103。該感測器具有良好的耐久性（可經受大於1000次的載入/卸載循環和大於1000次的彎曲實驗）及定位壓力的空間解析度。
2016年，H. P. Phan等人報道了自上向下製造的P型3C-SiC納米線（NW）的壓阻效應的研究。在Si襯底上外延生長載流子濃度為5 x 101?的3C-SiC薄膜，採用聚焦離子束工藝製成p型3C-SiC納米線(5um x 300nm x 300nm)。該納米線作為惠斯登橋電路中的一個壓敏電阻進行拉應力實驗（0～280u?）。實驗結果表明，其測量因子為35，比碳納管和石墨烯等硬材料的測量因子高一個數量級。SiC NW所具有的較大測量因子、相關阻值的變化和施加應力之間的線性關係，顯示出其用於納米機械系統感測的潛力。
本文轉自：MEMS(ID:MEMSensor)
作者：趙正平
