传感器的作用是测量出所在环境中特定现象的变化，包括机械性（加速度、压力、振幅等）、热（温度、比热、熵等）、幅射（X光、可见光、微波等）或磁性、化学、生物、状态等变化。对于这些物理量、化学量或生物量的输入变化，传感器必须能进行精确且稳定的测量，再将结果输出到控制器。输出量可以是气、光、电量等，但最主要的输出方式为电量信号，因为电信号最容易进行放大、反馈、滤波、微分、存贮和远距离操作，更便于传输、转换、处理和显示。
MEMS传感器工作方式很多，包括电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式、谐振式、霍尔式（磁式）、电化学式等。
表一 MEMS传感器的测量类型
加速度传感器的技术原理
常见的加速度传感器技术包括压阻式（PiezoresiSTive）、电容式（Capacitive）、压电式（Piezoelectric）及热对流式（Thermal）。除了热对流式加速度传感器外，其它三种方案都是利用硅的机械性质所设计出的可移动结构，来感测不同方向的加速度或振动等运动状况。压阻式、电容式及压电式加速度计的内部都具有质块（Mass）、弹簧（Spring）、阻尼器（Damper）三大基本机械性结构。按照虎克定律（F = kx）、牛顿第二定律（F = ma）等，只需获得位移，就能进一步求出加速度；此外，应用此原理可延伸设计出单轴、双轴和三轴加速度计。除了机械性单元外，加速度计内部也需包含用来实现信号放大或转换的电子电路部分。
目前压阻式、电容式与热对流式是市场上产品化的加速度传感器采用的主要技术。三者各有其优缺点，但电容式的各项功能皆有中等或极佳的表现，因此发展的潜力极大。
表二 不同加速度传感器技术的特性比较
1. 压阻式加速度传感器
压阻式加速度传感器的原理为压阻效应（Piezoresistive Effect），即半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，因此传感器可通过此原理来感测位移的变化。压阻式加速度传感器结构简单，外形小巧，性能优越，尤其可测量低频加速度。
压阻式加速度传感器采用N型硅单晶作为悬壁梁，在其根部有两个P型电阻接成电桥。当悬臂梁自由端的质量块受加速度作用时，悬臂梁受弯矩作用产生方向为梁的长度方向的应力，从而使四个电阻中两个电阻的应力方向与电流一致，另两个电阻的应力方向与电流垂直。
压阻式加速度传感器产生误差的主要原因是温度。由于传感器中扩散电阻的温度系数较大，电阻值随温度变化而变化，引起传感器的零位漂移和灵敏度漂移。零位温度的漂移一般可用串联电阻的方法进行补偿；灵敏度则随温度变化：当温度升高时，压阻系数减小，感测器的灵敏度也随之减小；反之则灵敏度随温度减小而增大。
2. 电容式加速度传感器
电容式加速度传感器可将非电量的变化转换为电容量变化。其结构中分别由一个可移动的质块与一个相对的固定端作为电容的两极。当外界加速度使可移动极与固定极发生相对位移时，两极间的电容量也会发生变化，通过特殊电路即可将此变化量转换成相对应的输出信号。
随着MEMS和半导体制程的不断进步，原先的一些使用限制得到大幅改善，也让电容式结构成为今日市场上极受欢迎的一种加速度传感器设计方案。电容式加速度传感器具有结构简单、分辨能力高、可非接触测量，除了可以实现微型化需求外，能在高温、高压、强辐射及强磁场等恶劣的环境中工作，也能耐受极大冲击，适用范围极广。
动态反应时间短是电容式加速度传感器的一个显著优点，它能在几兆赫兹的频率下工作，因此特别适合于动态测量。此外又由于其介质损耗小，可以用较高频率供电，因此系统工作频率高，可以用于测量高速变化的参数。
压阻式或热对流式传感器易因外界温度变化而产生零位漂移，而电容式结构则可避免这种问题。电容式加速度传感器的电容值一般与电极材料无关，因此可选择温度系数低的材料；另外传感器本身发热量极小，因此温度对稳定性的影响十分微小。
除了上述优点外，电容式加速度传感器还可测极低的加速度和位移（0.01μm以下），灵敏度及分辨力可以做到很高。
3. 热对流式加速度传感器
热对流式加速度传感器的工作原理是由加速度引起的内部温度变化来测量加速度。其优点在于不会有其它机械方式可能出现的粘连、颗粒等问题，同时能抗受50,000g以上的巨大冲击；此外还有低成本方面的优势。
热对流式加速度传感器的芯片内部会有一个空腔及其内部自然形成一个悬浮的热气团质块。在空腔底部的中央放置一个热源，并在热源的四个方向上等距离且对称的放置由铝和多晶硅组成的热电耦。由于自由对流热场的传递性，任何方向的加速度都会扰乱热场的轮廓，从而导致四个热电耦组的输出电压出现差异，而热电耦组输出电压的差异是直接与所感应的加速度成比例的值。
热对流式的设计也有其自身的缺点。相对于电容式方案，它的功耗较大；目前热对流式加速度传感器也只能做到二轴的方向性。热对流式方案的工作原理决定了它必然对环境温度变化比较敏感，容易产生零点温漂和灵敏度温度漂移；而且频率反应也不能太快，一般小于35Hz。
4. 压电式加速度传感器
压电式加速度传感器基于压电陶瓷等非晶方性（Anisotropic）结构材料对高频微小机械振动的优良响应特性，其结构及工作原理与压阻式及电容式方案相似，且具有不受温度变化影响、防水性佳、电磁干扰保护和绝缘处理性强等技术特性。
压电陶瓷等材料在收到沿一定方向机械力作用而发生形变时会产生出带电的极化效应；机械力撤掉后又会重新回到不带电的状态。因此压电式方案可以对很宽频率和很高辐值的振动讯号获得很准确的量测，并且具有很好的环境抗力。
压电式加速度传感器的基本构造包括三个部份：质块、压电材料及基座。当加速度计受力运动时，惯性质块与基座会产生相对运动，进而使压电材料受力产生应变，并转换成电信号输出，其中产生的电量与外力成正比。
结论
经过了三四十年的发展，MEMS已从工业的科研应用中走进大众市场，并在扮演越来越重要的角色。其与芯片技术的整合将会更密切，最终可望实现具传感功能的SoC芯片。
目前MEMS技术为毫米至微米级，纳米级是其未来的发展趋势之一。此外，目前MEMS元件的成本仍然较高，是阻碍其发展的因素之一，因此还需要厂家开发出更具经济效益的制程技术。
