MEMS传感器的应用

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MEMS传感器作为获取信息的关键器件,对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用,已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

  MEMS传感器典型应用如下图:

  随着电子技术的发展,MEMS的应用领域越来越广泛,由最早的工业、军用航空应用走向普通的民用和消费市场。在智能手机上,MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用;在汽车上,MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统(TPMS)和车辆稳定性控制增强车辆的性能;医疗领域,通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵,并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式;在可穿戴应用中,MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。

  汽车电子MEMS传感器的应用

  汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者,MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定(比如要求所有汽车采用TPMS系统)和汽车智慧化的发展趋势。全球平均每辆汽车包含10個传感器,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,车越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽车上就有70多只MEMS。MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。

  目前,压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器四类器件合计占汽车MEMS系统的99%。

  MEMS压力传感器

  MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器, 至少18个汽车应用领域促进压力传感器的增长,包括:轮胎压力,电子稳定控制系统中的刹车传感器,侧面气囊,与日益严格的排放标准相关的引擎控制,大气压力与废气再循环压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。

MEMS加速度计

  MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。

  微陀螺仪

  微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。

  MEMS流量传感器

  MEMS流量传感器是基于传统的热膜片风力计原理借助先进的薄膜片技术,将性能稳定的薄膜片电阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工,因此一方面缩短了传感器响应时间,另一方面由于采用了前后桥电路,可以判断出流体流向,从而进一步测量出回流流量。为了防止温度变化对测量精度的影响,传感器中采用了两片热敏电阻分别对前后桥进行了温度补偿。流量传感器主要用于检测发动机的空气进气量和燃油喷射量,从而将空燃比控制在最佳值附近,此外流量传感器还广泛利用于排气再循环、防滑驱动、刹车防抱死系统以及电控悬架等许多方面。

  按销售额计算,最大的五种汽车MEMS应用按降序排名是:ESC,安全气囊,进气歧管绝对压力(MAP),TPMS与翻滚探测。 消费类电子MEMS传感器的应用 随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现,特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展,消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。其中手机和平板电脑中的MEMS传感器几乎占了消费类电子MEMS传感器类市场的90%。

  MEMS传感器在消费电子领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等,这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。

  终端设备内的硬盘驱动器坠落保护 是MEMS运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用之一。手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度,因为具有特定的功能和数据处理电路,它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故,并及时命令读写头缩回到安全位置,以防电脑最终摔落在地板上时损坏读写头。

  手机 是MEMS在消费类产品中最大的应用领域。包含MEMS麦克风、3D加速器、RF被动与主动组件、相机稳定与GPS的陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等,应用最多的传感器是加速计、陀螺仪与MEMS硅麦克风,其中加速度计是该市场中第一大应用产品。而近期陀螺仪增长迅速,已经成为继加速度计后的第二大应用产品。

  MEMS麦克风销售额2015年已经突破10亿美元,美国IHS全球产业研究报告表示全球MEMS麦克风市场仍将连续5年维持18%的年复合成长率(CAGR)。还有一些MEMS传感器或刚进入市场的,例如磁力计、指纹传感器、环境传感器、MEMS手机摄像头等。而MEMS传感器在手机应用的数量规模以及多样性,也仍不断在快速成长当中。

  苹果(Apple)公司于2007年首度将微机电系统(MEMS)加速度计应用在iPhone中,开启手机产业的传感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、指纹传感器、接近与环境光传感器、MEMS麦克风和Image Sensor等MEMS传感器。截至目前为止,Apple公司已拥有超过三百五十篇以上与传感器相关的发明专利,而申请内容包括触控、影像、运动、振动感测、数据运算、掉落感知及亮度感知等等。

游戏机 是运动跟踪和手势识别应用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例, 采用了MEMS三轴加速度计,能够捕捉到玩家任何细微的动作,使玩家陶醉于真实的游戏体验,通过不同的动作融入到游戏中,例如,模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作。

  高能效低价微型MEMS传感器彻底改变了人们与移动终端设备的互动方式。在各类移动终端、游戏机、遥控器等设备上,MEMS传感器可以实现先进的功能,令人心动的用户界面,用户的手势、碰摸就能够激活相应的功能。为消费电子产品的“”升级、换代”划成一个里程碑式的注脚。

  智能穿戴装置 是目前最热门的新兴产品,其所使用的感测组件,无论在尺寸、耗电量、感测灵敏度或是组件可靠度上,通常皆须面对更严苛的要求。最成功的组件案例是惯性传感器与MEMS麦克风,包括Google、Apple、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)等多家知名大厂,皆已将此两组件整合在自家的穿戴装置产品内,成为其传感器标准配备。

  智能穿戴装置两大功能项目在于量化生活(QuanTIfied Self)及随身环境安全监测。其所需感测功能大致可包括活动感知、影像感测、环境感测及生理感测四大类别。MEMS组件在穿戴装置上的应用诉求,是使系统达到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。

  健身和健康监测就是MEMS传感器在智能穿戴装置中的代表性的应用。计步表或计步器是利用三轴MEMS加速度传感器,在特定的情况下,计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度,通过处理加速度数据,计步器显示用户走过的步数和速度,以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。


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