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MEMS傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件,對各種傳感裝置的微型化起著巨大的推動作用,已在太空衛(wèi)星、運載火箭、航空航天設(shè)備、飛機、各種車輛、生特醫(yī)學(xué)及消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展,MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,由最早的工業(yè)、軍用航空應(yīng)用走向普通的民用和消費市場。在智能手機上,MEMS傳感器提供在聲音性能、場景切換、手勢識別、方向定位、以及溫度/壓力/濕度傳感器等廣泛的應(yīng)用;在汽車上,MEMS傳感器借助氣囊碰撞傳感器、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)和車輛穩(wěn)定性控制增強車輛的性能;醫(yī)療領(lǐng)域,通過MEMS傳感器研成功制出微型胰島素注射泵,并使心臟搭橋移植和人工細(xì)胞組織成為現(xiàn)實中可實際使用的治療方式;在可穿戴應(yīng)用中,MEMS傳感器可實現(xiàn)運動追蹤、心跳速率測量等。
汽車電子MEMS傳感器的應(yīng)用
汽車電子產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是MEMS傳感器的第一波應(yīng)用高潮的推動者,MEMS傳感器在汽車上應(yīng)用的快速發(fā)展主要是受益于各國政府全面推出汽車安全規(guī)定(比如要求所有汽車采用TPMS系統(tǒng))和汽車智慧化的發(fā)展趨勢。全球平均每輛汽車包含10個傳感器,在高檔汽車中,大約采用25至40只MEMS傳感器,車越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽車上就有70多只MEMS。MEMS傳感器可滿足汽車環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準(zhǔn)確、成本低的要求。其應(yīng)用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子車身穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動手剎(EPB)、斜坡起動輔助(HAS)、胎壓監(jiān)控(EPMS)、引擎防抖、車輛傾角計量和車內(nèi)心跳檢測等等。
目前,壓力傳感器、加速度計、陀螺儀與流量傳感器四類器件合計占汽車MEMS系統(tǒng)的99%。
MEMS壓力傳感器
MEMS壓力傳感器是汽車中應(yīng)用最多的傳感器, 至少18個汽車應(yīng)用領(lǐng)域促進壓力傳感器的增長,包括:輪胎壓力,電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的剎車傳感器,側(cè)面氣囊,與日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的引擎控制,大氣壓力與廢氣再循環(huán)壓力。這種傳感器用單晶硅作材料,以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片,然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻,再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路,來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。
MEMS加速度計
MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律,通常由懸掛系統(tǒng)和檢測質(zhì)量組成,通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測,主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等,除了有電容式、壓阻式以外,MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中,電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點,是MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。
微陀螺儀
微陀螺儀是一種角速率傳感器,主要用于汽車導(dǎo)航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng),主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動陀螺儀,它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。例如汽車在轉(zhuǎn)彎時,系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位,主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道,通常,它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。
MEMS流量傳感器
MEMS流量傳感器是基于傳統(tǒng)的熱膜片風(fēng)力計原理借助先進的薄膜片技術(shù),將性能穩(wěn)定的薄膜片電阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工,因此一方面縮短了傳感器響應(yīng)時間,另一方面由于采用了前后橋電路,可以判斷出流體流向,從而進一步測量出回流流量。為了防止溫度變化對測量精度的影響,傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對前后橋進行了溫度補償。流量傳感器主要用于檢測發(fā)動機的空氣進氣量和燃油噴射量,從而將空燃比控制在最佳值附近,此外流量傳感器還廣泛利用于排氣再循環(huán)、防滑驅(qū)動、剎車防抱死系統(tǒng)以及電控懸架等許多方面。
按銷售額計算,最大的五種汽車MEMS應(yīng)用按降序排名是:ESC,安全氣囊,進氣歧管絕對壓力(MAP),TPMS與翻滾探測。
消費類電子MEMS傳感器的應(yīng)用
隨著消費電子領(lǐng)域****展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn),特別是受益于智能手機和平板電板的快速發(fā)展,消費電子已經(jīng)取代汽車領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場。其中手機和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費類電子MEMS傳感器類市場的90%。
MEMS傳感器在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用包括運動/墜落檢測、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補償、游戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區(qū)消除、速度/距離計數(shù)等等,這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗。
終端設(shè)備內(nèi)的硬盤驅(qū)動器墜落保護 是MEMS運動傳感器在消費電子市場的具有重要歷史意義的代表性應(yīng)用之一。手提電腦內(nèi)的三軸加速計可以監(jiān)測加速度,因為具有特定的功能和數(shù)據(jù)處理電路,它能夠檢測到硬盤驅(qū)動器的意外摔落事故,并及時命令讀寫頭縮回到安全位置,以防電腦最終摔落在地板上時損壞讀寫頭。
手機 是MEMS在消費類產(chǎn)品中最大的應(yīng)用領(lǐng)域。包含MEMS麥克風(fēng)、3D加速器、RF被動與主動組件、相機穩(wěn)定與GPS的陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等,應(yīng)用最多的傳感器是加速計、陀螺儀與MEMS硅麥克風(fēng),其中加速度計是該市場中第一大應(yīng)用產(chǎn)品。而近期陀螺儀增長迅速,已經(jīng)成為繼加速度計后的第二大應(yīng)用產(chǎn)品。
MEMS麥克風(fēng)銷售額2015年已經(jīng)突破10億美元,美國IHS全球產(chǎn)業(yè)研究報告表示全球MEMS麥克風(fēng)市場仍將連續(xù)5年維持18%的年復(fù)合成長率(CAGR)。還有一些MEMS傳感器或剛進入市場的,例如磁力計、指紋傳感器、環(huán)境傳感器、MEMS手機攝像頭等。而MEMS傳感器在手機應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模以及多樣性,也仍不斷在快速成長當(dāng)中。
蘋果(Apple)公司于2007年首度將微機電系統(tǒng)(MEMS)加速度計應(yīng)用在iPhone中,開啟手機產(chǎn)業(yè)的傳感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、指紋傳感器、接近與環(huán)境光傳感器、MEMS麥克風(fēng)和Image Sensor等MEMS傳感器。截至目前為止,Apple公司已擁有超過三百五十篇以上與傳感器相關(guān)的發(fā)明專利,而申請內(nèi)容包括觸控、影像、運動、振動感測、數(shù)據(jù)運算、掉落感知及亮度感知等等。
游戲機 是運動跟蹤和手勢識別應(yīng)用的突出代表,以具有革命性的任天堂Wii游戲機為例, 采用了MEMS三軸加速度計,能夠捕捉到玩家任何細(xì)微的動作,使玩家陶醉于真實的游戲體驗,通過不同的動作融入到游戲中,例如,模仿一場真實的網(wǎng)球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動作。
高能效低價微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動終端設(shè)備的互動方式。在各類移動終端、游戲機、遙控器等設(shè)備上,MEMS傳感器可以實現(xiàn)先進的功能,令人心動的用戶界面,用戶的手勢、碰摸就能夠激活相應(yīng)的功能。為消費電子產(chǎn)品的“”升級、換代”劃成一個里程碑式的注腳。
智能穿戴裝置 是目前最熱門的新興產(chǎn)品,其所使用的感測組件,無論在尺寸、耗電量、感測靈敏度或是組件可靠度上,通常皆須面對更嚴(yán)苛的要求。最成功的組件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風(fēng),包括Google、Apple、微軟(Microsoft)、摩托羅拉(Motorola)等多家知名大廠,皆已將此兩組件整合在自家的穿戴裝置產(chǎn)品內(nèi),成為其傳感器標(biāo)準(zhǔn)配備。
智能穿戴裝置兩大功能項目在于量化生活(Quantified Self)及隨身環(huán)境安全監(jiān)測。其所需感測功能大致可包括活動感知、影像感測、環(huán)境感測及生理感測四大類別。MEMS組件在穿戴裝置上的應(yīng)用訴求,是使系統(tǒng)達到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。
健身和健康監(jiān)測就是MEMS傳感器在智能穿戴裝置中的代表性的應(yīng)用。計步表或計步器是利用三軸MEMS加速度傳感器,在特定的情況下,計步器的傳感器能夠精確地測定在步行和跑步過程中作用在系統(tǒng)上的加速度,通過處理加速度數(shù)據(jù),計步器顯示用戶走過的步數(shù)和速度,以及在身體運動過程中所消耗掉的熱量。
航空航天設(shè)備上MEMS傳感器的應(yīng)用
MEMS傳感器應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域,要求適應(yīng)在不同的空間環(huán)境,包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場和引力場等,以及航天器某些系統(tǒng)工作時或在空間環(huán)境作用下產(chǎn)生的誘導(dǎo)環(huán)境,例如,軌道控制推力器點火和太陽電池翼伸展引起的振動、沖擊環(huán)境;航天器上的磁性材料和電流回路在空間磁場中運動產(chǎn)生的感應(yīng)磁場;航天器上有機材料逸出物沉積在其他部位造成的分子污染等。
因此,航空航天傳感器主要有狀態(tài)傳感器,環(huán)境傳感器之分,前者包括各種活動機件的即時位置傳感器,如襟,副翼位置,噴口大小,油門位置,減速板位置,起落架收放位置等,飛機狀態(tài)傳感器,如迎角,側(cè)滑角傳感器,飛機姿態(tài)傳感器等,各種參數(shù)如液壓,油壓,發(fā)動機振動量,滑油金屬屑,各種消耗品如油料剩余量,消耗速度等,還有結(jié)冰傳感器,火警傳感器,極限傳感器,過載傳感器,生命傳感器以及各種多余度系統(tǒng)的自動轉(zhuǎn)換傳感器。
環(huán)境傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。
MEMS傳感器在航空航天領(lǐng)域中主要有五種用途:
①提供有關(guān)航天器的工作信息,起故障診斷的作用;
②判斷各分系統(tǒng)間工作的協(xié)調(diào)性,驗證設(shè)計方案;
③提供全系統(tǒng)自檢所需信息,給指揮員決策提供依據(jù);
④提供各分系統(tǒng)、整機內(nèi)部檢測參數(shù),驗證設(shè)計的正確性。
⑤監(jiān)測飛行器內(nèi)外部的環(huán)境,為飛行員航天員提供所需的生存條件,保障正常飛行參數(shù)。
MEMS傳感器構(gòu)成的電子設(shè)備
MEMS傳感器在飛行器中的電子設(shè)備、飛行器設(shè)計及微小衛(wèi)星等技術(shù)方面都有重要的應(yīng)用。機載分布式大氣數(shù)據(jù)計算機,由全壓一靜壓一攻角為一體的多功能微型大氣數(shù)據(jù)探頭(或稱組合式空速管)、微型壓力傳感器(靜壓、差壓及動壓)以及信號處理單元直接組成,并封裝在殼體內(nèi),形成一個微機電系統(tǒng)。
MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集微陀螺、微加速度計及其信號處理單元為一體,該系統(tǒng)以硅材料為主,用MEMS加工工藝制造而成,其體積和質(zhì)量比常規(guī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)至少下降2一3個數(shù)量級。
MEMS技術(shù)的傳感器,正是以功耗低、精度高、尺寸小的技術(shù)特點,來滿足萬物互聯(lián)的智能世界,新型MEMS傳感器的開發(fā)設(shè)計和市場投入,使更具豐富多彩的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成為可能,它推動了我們的生活更加絢麗多彩。
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