MEMS传感器简介

引言

MEMS传感器是现代技术系统中的基础组件，将机械信息转换为电信号。这类传感器广泛应用于汽车系统和工业监测等领域。本文详细介绍主要的MEMS传感器类型及其工作原理[1]。

应变片

应变片是基础的机械传感器之一，通过将机械形变转换为电阻变化实现测量。当应变片受到机械应力时，其电阻值会随施加的力而成比例变化。让我们通过受外力作用的杆件来分析基本原理：

图1：展示了受外力作用的杆件，说明了纵向和横向应变如何影响材料尺寸。

应变片的电阻(R)可以表示为：R = ρ(Ls/S)其中ρ为电阻率，Ls为长度，S为传感器材料的横截面积。应变片主要分为两种：1. 金属应变片

图2：典型商用金属应变片的蛇形图案设计布局。

2. 半导体应变片

图3：压阻式压力传感器设计，在薄膜上集成了四个压阻器。(a)显示电阻器布局的顶视图。(b)展示薄膜变形的横截面视图。

电容传感器

电容传感器通过测量由机械形变或移动引起的电容变化工作。这类传感器可以检测压力、加速度和位移等多种机械量。基本结构包括：

图4：基本平行板电容传感器结构，展示了极板与介电材料之间的关系。

图5：各种电容传感器电极配置：(a)共面型，(b)圆柱型，和(c)交叉指型排列。

工作原理可以应用于不同的测量场景：

图6：单元电容传感器配置，显示位移如何影响(a)重叠面积，(b)电极间距离，和(c)介电特性。

压电传感器

压电传感器利用材料在受到机械应力时产生电荷的特性。这类传感器在动态测量方面表现优异，在特定应用中具有独特优势。基本原理如图所示：

图7：压电材料晶格的二维表示：(a)无应力状态，(b)横向压电效应，(c)纵向压电效应。

常见配置包括：

图8：不同的压电传感器配置：(a-c)基本力的应用，显示压缩、剪切和弯曲。(d-f)相应的加速度计实现方式。

频率响应特性非常重要：

图9：压电传感器的典型频率响应曲线，显示平坦工作区域和共振峰。

性能比较

下面对这些不同类型传感器的关键性能指标进行比较：

每种传感器类型都有其特定优势和局限性，适用于不同的应用场景。应变片适合静态测量，电容传感器具有良好的稳定性和较低的成本，而压电传感器则适合高频动态测量。本文提供了理解机械传感器及其应用的基础知识。传感器类型的选择取决于具体应用要求，包括测量范围、频率响应、环境条件和成本等因素。

参考文献

[1] F. Reverter, "A Tutorial on Mechanical Sensors in the 70th Anniversary of the Piezoresistive Effect," Sensors, vol. 24, no. 11, p. 3690, 2024, doi: 10.3390/s24113690.