MEMS器件特点及一种基于压电效应的新型MEMS流量传感器介绍

        微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件，本文主要在介绍MEMS器件特点的基础上概览最近一篇文章，是根据鱼类机械侧线感知系统,设计了一种基于压电效应的新型MEMS流量传感器。

      一、MEMS器件的三个特点：3M

       1、Miniaturization

            MEMS典型尺寸：1um~1mm、                                    优点：柔性连接、高谐振频率、低热惯性、

            NMES的出现：1nm~1um、

            广义来讲NMES包括NEMS、

       2、Microelectronics integration

            将机械结构和电路同时集成在同一块芯片上、

            使用整片衬底加工流程，将不同部分集成在同一衬底上、

            不包含机器拾取和人工装配等混合组装方法，通过光刻    技术保证器件尺寸和元件位置的精确性、

      3、Mass fabrication with precision

           传统机械加工：单件加工，串行组装、

           MEMS加工：多件加工、装配并行完成、

     二、新型MEMS流量传感器设计---新型MEMS流量传感器的设计与制作   文章编号：1672-4801（2020）05-018-04

         

          如上图1所示，根据鱼类侧线神经丘的形态和功能所研制的新型流量传感器主要由硅基底层、底层电极、PZT 压电层、顶层电极、动纤毛和静纤毛束组成，

       如上图2所示，PZT 膜用作主要敏感元件，高纵横比的动纤毛和梯度排列的静纤毛簇，用作传感结构与流体相互作用的单元，纤毛簇检测流体运动信号并把流体

刺激传递到 PZT 敏感膜；纤毛柱的机械变形使PZT 膜产生位移从而产生电荷；电荷通过传感器基片的顶层电极和底层电极，继而经过信号放大器转换成电压信号，通过信号筛分处理，获得流体的速度信息，如图 3 所示。为了提高传感器的信噪比，采用了阶梯渐进式分布方式，由1根大深宽比的动纤毛和1簇深宽比呈阶梯渐进式的静纤毛组成。流体信号经过先经过静纤毛簇，过滤掉了流体信号中的低频扰动，仅使主流体信号到达动纤毛，进而减小了噪声，提高了信噪比。

     本文章还通过析软件进行流-固耦合仿真，优化了纤毛的关键尺寸和分布方式；利用微纳加工工艺制作了流量传感器的样机，并对传感器样机进行了初步测试，综上此基于MEMS器件设计的鱼类机械侧线感知系统具备无源性，工程应用更加提高了传感器的信噪比，通过 MEMS 微加工工艺和精密粘接工艺制作完成，使整个传感器的体积进一步缩小，节省空间。