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什么是 MEMS 传感器?MEMS 传感器类型及应用, MEMS传感器的工作原理

在这篇文章里,我们将看到 MEMS 的一些基本概念,并以 MEMS 传感器的形式了解 MEMS 的应用。我们还将了解不同类型的 MEMS 传感器和一些当前的应用。

什么是MEMS 传感器(微机电系统)?

MEMS 是 Micro Electro Mechanical Systems 的缩写。它是一种与制造微型设备相关的技术,如传感器、传感器、执行器、齿轮、泵、开关等。

换句话说,MEMS 是一种微观集成设备,它是电子、电气和机械元件的组合,所有这些都使用一种称为微系统技术 (MST) 的技术共同工作以满足单一的功能要求。

MEMS技术被认为是传统集成电路(IC)制造的扩展形式。传统 IC 制造技术 (VLSI) 与 MEMS 的主要区别在于,使用 MEMS 不仅可以制造电容器和电感器等电气元件,还可以制造齿轮、弹簧、梁等机械部件。使用传统 IC 技术,您只能制造导体、绝缘体、二极管和晶体管。

什么是MEMS传感器?
什么是MEMS传感器?

这些基于 MEMS 的设备的尺寸通常为几微米(在 1 到 100 微米之间)。

另一个需要记住的重要一点是,MEMS 是借助先进的 IC 制造技术将有源和无源元件集成到单个硅基板中。有源元件是传感器和执行器,而无源元件是无源电子系统和无源机械系统。

由放大器、ADC、滤波器等信号处理电路组成的电子系统采用IC制造工艺设计,而由齿轮、曲柄、轴承等组成的机械系统采用微加工工艺设计。

什么是 MEMS 传感器?

传感器是当今数字世界的重要组成部分之一。由于所有的计算和处理都是在数字信号上完成的,所以在模拟世界和数字电子设备之间应该有一个媒介。传感器弥合了这一差距,因为它们用于观察模拟物理参数的时间效应并产生有意义的信息(对计算机)。

传感器的现代定义有时令人困惑,但简单来说,传感器是一种包含基本传感元件的设备,这些传感元件可以感知温度或湿度等物理量并将其转换为电信号。传感器还包括信号处理单元,如放大器、滤波器或 ADC 或这些元件的组合。

谈到 MEMS 传感器,如果传感器是使用 MEMS 技术设计和制造的,那么它被称为微机械微传感器或简称为 MEMS 传感器。

如果您还记得我们的手势控制机器人,我们使用的是 MPU6050 IC。它包含一个 3 轴加速度计、一个 3 轴陀螺仪和一个数字运动处理器。它是使用 MEMS 技术制造的。

 MEMS 传感器的分类

MEMS技术的主要实施者之一是汽车行业。现代汽车使用大量传感器,其中大多数是基于 MEMS 的设备。以下是现代汽车中使用的 MEMS 传感器列表。

  • 加速度计——用于电子稳定控制和安全气囊展开。
  • 惯性测量单元或 IMU(它们是 MEMS 加速度计和 MEMS 陀螺仪的组合)——用于测量自动驾驶的偏航、俯仰和滚动。
  • 磁力计 – 用于导航的方向。
  • 压力和惯性传感器——用于制动控制。
  • 压力传感器——胎压监测系统。
  • 气流传感器 – 进气监控。
  • 燃油传感器——燃油液位指示器。
  • 撞击和碰撞传感器——撞击检测和安全气囊展开。
  • MEMS 麦克风——用于通信和降噪。
  • 温度传感器——用于自动气候控制和发动机温度监测。
  • 还有许多其他基于 MEMS 的设备可用于各种应用。

MEMS传感器的种类繁多,分类方法也很多。下面是按照工作原理分类如下:

MEMS传感器的分类
MEMS传感器的分类

其中每一种MEMS传感器又有很多种细分方法。如加速度计,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计等,种类繁多,常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等等; MEMS传感器的品种多到可以以万为单位,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。

这种行业特性让MEMS传感器制造的企业前期的研发投入过大,单品种的销量很难放大。以惯性传感器为例,其市场盈亏平衡规模为月产1000万只,即企业须至少每月生产1000万只惯性传感器才能保持不亏本状态。

 

MEMS 传感器是如何工作的?

MEMS传感器,或称微机电系统,是在微电子技术基础上发展起来的多学科前沿研究领域。经过40多年的发展,已成为举世瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理、化学、生物、医学等学科和技术,具有广阔的应用前景。截至2010年,全球约有600家单位从事MEMS的研发和生产,已开发出微压力传感器、加速度传感器、微型喷墨打印头、数字微镜显示器等数百种产品。其中,MEMS传感器占了相当大的比重。MEMS传感器是一种利用微电子和微加工技术制造的新型传感器。与传统传感器相比,具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适合批量生产、易于集成和实现智能化等特点。同时,微米量级的特征尺寸使其能够执行一些传统机械传感器无法实现的功能。

MEMS 倾角计和加速度计是低成本、高精度的惯性传感器,适用于各种工业应用。

MEMS 传感器的工作原理是什么?它有什么优点?

那么这个小传感器到底如何工作的?我们以倾角计和加速度计来做介绍:

MEMS是一种基于芯片的技术,被称为微机电系统。传感器由一对电容板之间的悬浮块组成。当向传感器施加倾斜时,悬浮的质量会产生电位差。该差异被测量为电容的变化。

Mems 传感器倾度计工作原理
Mems 传感器倾度计工作原理

使用 MEMS 倾角仪可以获得的最大分辨率为 0.0001°(JDI 系列)。这与高精度电解生产线不同。该系列最灵敏的倾斜仪(A603 倾斜仪)拥有 2.5 纳弧度的分辨率。然而,MEMS 也有其自身的一些优势。

MEMS 传感器提供任何其他传感器系列都具备的便利功能,但您无需担心空间限制。 MEMS 使用非常紧凑的微型机器组件,小到每个传感器都可以放在手掌中。它们具有 IP67 密封,由于工作温度范围为 -40° 至 +85°C,因此它们可以承受一些恶劣的条件。虽然电解传感器具有更高的精度,但其中一些传感器可能对温度敏感。

这些传感器非常适合不需要最高精度的应用,例如工业自动化、平台调平、位置控制以及俯仰和侧倾测量。由于它们成本低,您甚至可以为您的下一个大项目节省一些钱!


 

 MEMS 传感器的应用

MEMS 传感器已被用于各种应用,例如控制和处理设备、管理机器人、汽车、夹具等。您可以在现代喷墨打印机、彩色投影仪、显示系统、时钟和扫描设备中找到这些传感器。

MEMS技术用于制造不同的传感器,如压力、温度、振动和化学传感器。

相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。   MEMS传感器在 AR/VR、消费电子、智能驾驶、智能工厂、智慧物流、 智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域都有广泛应用。

加速度计、陀螺仪、电子罗盘等是汽车、直升机、飞机、无人机和船舶中常用的一些 MEMS 传感器。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:

下面提到了基于 MEMS 的传感器的一些应用领域:

  • 化学制药
  • 飞机
  • 工业自动化与制造
  • 国防、航天和航空
  • 环境与健康科学
  • 计算和通信
  • 消费产品
  • 可穿戴设备应用。以小米手环为例,就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测。 Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器。
  • VR应用。VR设备需要足够精确测定头部转动的速度、角度和距离,采用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计来进行测定是重要的解决方案之一,几乎成为VR设备的标配。Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR都采用了MEMS加速度计和陀螺仪,未来VR设备也可能会使用MEMS眼球追踪技术。
  • 无人机应用。无人机飞行姿态控制技术上,MEMS传感器又有了施展的空间。结合加速度计和陀螺仪,可以算出角度变化,并确定位置和飞行姿态。MEMS传感器能在各种恶劣条件正常工作,同时获得高精度的输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可谓是大放异彩。
  • 车联网应用。车联网是物联网发展的重大领域,智能汽车是车联网的核心,正处于高速发展中。在智能汽车时代,主动安全技术成为备受关注的新兴领域,需要改进现有的主动安全系统,比如侧翻(rollover)与稳定性控制(ESC),这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用,包括安全气囊(应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器)、汽车发动机(应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器)等。
  • 自动驾驶应用。自动驾驶技术的兴起,进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度,但在GPS信号较差的地方(地下车库、隧道)和信号受到干扰的时候,汽车的导航会受到影响,这对自动驾驶来说是致命的缺陷。利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置(角速度和角位置),车辆任何细微的动作和倾斜姿态,都被转化为数字信号,通过总线,传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下,MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展,精度已经上升到0.01。
  • 工业应用。MEMS让传感器小型化、智能化,MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测,MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。

 

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