分(fēn)析新型MEMS傳感器及其廣泛的(de)應用(yòng)

  傳感器已經滲透到我們日常生活,存在于每個(gè)角落,大(dà)到汽車,小到手機,都大(dà)量使用(yòng)了(le)各種傳感器——這(zhè)正符合了(le)智能化(huà)的(de)潮流,而傳感器則是其中最基本也(yě)是最重要的(de)一環。

  傳感器種類多(duō)樣,因此根據用(yòng)途、原理(lǐ)都有特定的(de)分(fēn)類。例如接近傳感器、溫度/壓力傳感器、電流傳感器等等。近年來(lái)傳感技術也(yě)得(de)到了(le)長(cháng)足的(de)發展,MEMS就是最具代表性的(de)例子,MEMS技術讓我們能夠在有限的(de)空間内最大(dà)限度地發揮傳感器的(de)功能,廣泛用(yòng)于多(duō)種場(chǎng)合。

  在維基百科中,MEMS技術的(de)解釋是:微機電系統(MicroelectromechanicalSystems,MEMS)是将微電子技術與機械工程融合到一起的(de)一種工業技術,它的(de)操作範圍在微米範圍内。比它更小的(de),在納米範圍的(de)類似的(de)技術被稱爲納機電系統。

  完整的(de)MEMS是由微傳感器、微執行器、信号處理(lǐ)和(hé)控制電路、通(tōng)訊接口和(hé)電源等部件組成的(de)一體化(huà)的(de)微型器件系統。MEMS傳感器能夠将信息的(de)獲取、處理(lǐ)和(hé)執行集成在一起,組成具有多(duō)功能的(de)微型系統,從而大(dà)幅度地提高(gāo)系統的(de)自動化(huà)、智能化(huà)和(hé)可(kě)靠性水(shuǐ)平。它還(hái)能夠使得(de)制造商能将一件産品的(de)所有功能集成到單個(gè)芯片上,從而降低成本,适用(yòng)于大(dà)規模生産。

  兩大(dà)應用(yòng)領域推動MEMS傳感技術應用(yòng)

  MEMS傳感器目前主要應用(yòng)在汽車和(hé)消費電子兩大(dà)領域。

  在汽車應用(yòng)中,用(yòng)到越來(lái)越多(duō)的(de)MEMS傳感器。包括安全氣囊中的(de)汽車安全氣囊感應器、懸架控制、翻滾等。另外還(hái)包括汽車MEMS壓力傳感器和(hé)輪胎氣壓自動監測系統,MEMS壓力傳感器适合于任何類型的(de)輪胎,在輪胎胎壁埋設一小塊感壓力敏芯片,自動測量輪胎氣壓、溫度、轉速和(hé)其它一些數據,并用(yòng)特定的(de)代碼發送出來(lái)。另外,汽車導航中的(de)GPS信号補償、氣缸内壓力測量等等大(dà)多(duō)數汽車子系統中。

  消費電子領域中,任天堂公司曾在Wii無線遊戲機中使用(yòng)MEMS器件,允許使用(yòng)者通(tōng)過運動和(hé)點擊互相溝通(tōng)和(hé)在屏幕上處理(lǐ)一些需求,其原理(lǐ)是将運動(例如揮舞胳膊模仿網球球拍(pāi)的(de)運動)轉化(huà)爲屏幕上的(de)遊戲行爲。早前,任天堂和(hé)ADI宣布将ADI的(de)ADXL330iMEMS加速度計整合到任天堂的(de)Wii遊戲控制台中。加速度計幫助任天堂把視頻(pín)遊戲提升到一個(gè)新的(de)水(shuǐ)平。

  目前大(dà)多(duō)數手機都含有MEMS傳感器實現重力加速計和(hé)陀螺儀的(de)功能,例如被用(yòng)在iPhone中。通(tōng)過對(duì)旋轉時(shí)運動的(de)感知,iPhone可(kě)以自動地改變橫豎屏顯示,以便消費者能夠以合适的(de)水(shuǐ)平和(hé)垂直視角看到完整的(de)頁面或者數字圖片。

  iPhone4上的(de)MEMS傳感器

  iPhone4上用(yòng)到的(de)MEMS傳感器大(dà)緻一下(xià)幾種。影(yǐng)像傳感器:簡單說就是相機鏡頭,由于隻牽涉到微光(guāng)學與微電子,沒有機械成份在裏頭,即便加入馬達、機械驅動的(de)鏡頭。磁阻傳感器:簡單講就是感測地磁。感應地磁就是指南(nán)針原理(lǐ),将這(zhè)種地磁感應電子化(huà)、數字化(huà),就稱爲數字指南(nán)針(DigitalCompass)。老實說,數字指南(nán)針技術比較偏玩具性,因爲用(yòng)來(lái)感測地磁的(de)磁阻傳感器,很容易受環境影(yǐng)響(如高(gāo)壓電塔旁、馬達旁),必須時(shí)時(shí)校正才有用(yòng)。磁阻傳感器目前沒有被視爲熱(rè)門的(de)MEMS組件,有些MEMS組件會追加整合磁阻感測能力。聲波傳感器:學名聲波傳感器,俗名麥克風。是的(de),iPhone4爲了(le)強化(huà)聲音(yīn)質量,使用(yòng)2組麥克風與相關運算(suàn)來(lái)達到降噪(降低噪音(yīn))的(de)效果,這(zhè)種技術稱爲數組麥克風(ArrayMIC),事實上早在Apple實行之前,2004年就已經在PC上提出過,差别是蘋果用(yòng)于手機,Wintel用(yòng)于PC。麥克風需要微型化(huà)嗎?相當需要。且使用(yòng)一個(gè)以上的(de)麥克風,麥克風的(de)體積縮小需求就更迫切,麥克風也(yě)牽涉到機械(聲波會使微型機械振動),并将機械振動轉換成電子信号,因此微型化(huà)的(de)麥克風,是個(gè)不折不扣的(de)MEMS傳感器。加速度傳感器:俗稱加速規、G-Sensor,可(kě)以感應物(wù)體的(de)加速度性。事實上加速度傳感器的(de)實現方式也(yě)是許多(duō)種,MEMS隻是手法之一,用(yòng)MEMS實現加速度傳感器确實是目前的(de)趨勢。加速度傳感器一般有“X、Y兩軸”與“X、Y、Z三軸”兩種,兩軸多(duō)用(yòng)于車、船等平面移動爲多(duō),三軸多(duō)用(yòng)于飛(fēi)彈、飛(fēi)機等飛(fēi)行物(wù)。而不用(yòng)多(duō)說,Wii遙控器也(yě)是用(yòng)三軸,iPhone可(kě)以感應實體翻轉而自動對(duì)應翻轉畫(huà)面,靠的(de)就是這(zhè)個(gè)傳感器。角加速度傳感器:iPhone4确實是率先使用(yòng)陀螺儀的(de)手機。更簡單講就是陀螺儀,陀螺儀實現技術有機械式與光(guāng)學(紅外線、雷射)式,第六項的(de)加速度傳感器比較能感測平移性,但對(duì)于物(wù)體有個(gè)軸心,進行角度性的(de)移動,則其感應效果不如陀螺儀好。

  廠商競逐MEMS市場(chǎng)

  根據iSuppli的(de)統計數據指出,2010年前10大(dà)MEMS廠商在消費電子和(hé)行動裝置領域的(de)營收排名依序爲:意法半導體、安華高(gāo)(Avago)、樓氏電子(Knowles)、德州儀器(TI)、博世(BoschSensortec)、應美(měi)盛(InvenSense)、Panasonic、TriQuint、Kionix和(hé)愛(ài)普生(EpsonToyocom)。

  除了(le)知名的(de)半導體廠商如意法半導體、德州儀器、ADI以外,元器件廠商中也(yě)有關注MEMS方案的(de)廠商,例如愛(ài)普科斯。

  TDK旗下(xià)的(de)TDK-EPC(原愛(ài)普科斯)前兩年就開始在MEMS市場(chǎng)有動作,包括展開了(le)多(duō)個(gè)收購(gòu),擴展了(le)其MEMS相關技術和(hé)産品領域。産品也(yě)包括可(kě)調匹配網絡(RFMEMS)、矽麥克風(MEMS麥克風)、壓阻式壓力傳感器。

  愛(ài)普科斯收購(gòu)Technitrol公司後,由于Technitrol的(de)MEMS麥克風專有技術和(hé)一系列專利技術可(kě)與愛(ài)普科斯的(de)封裝工結合,因此,MEMS麥克風也(yě)成爲愛(ài)普科斯擴展手機産品的(de)合理(lǐ)選擇。

  關于MEMS 傳感器的(de)封裝。封裝曾是MEMS技術的(de)難點。不過,生産工藝的(de)提升使得(de)産品良率有很大(dà)提升,現在MEMS産品的(de)價格已經下(xià)降了(le)很多(duō),技術難題也(yě)逐漸得(de)到了(le)解決。傳統的(de)MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和(hé)塑料封裝三種形式。随著(zhe)MEMS封裝技術取得(de)了(le)很大(dà)進展,出現了(le)衆多(duō)的(de)MEMS封裝技術,大(dà)多(duō)數研究都集中在特殊應用(yòng)的(de)不同封裝工藝,但又開發了(le)一些較通(tōng)用(yòng)、較完善的(de)封裝設計,通(tōng)常可(kě)将其分(fēn)爲3個(gè)封裝層次:芯片級封裝、圓片級封裝、系統級封裝。

  從傳感器的(de)應用(yòng)來(lái)說,有些MEMS器件的(de)封裝必須能夠和(hé)環境進行相互影(yǐng)響。例如,在壓阻傳感器内,封裝應力就會影(yǐng)響傳感器的(de)輸出。當封裝中不同材料混合使用(yòng)時(shí),它們的(de)膨脹和(hé)收縮系數不同,因此,這(zhè)些變化(huà)引起的(de)應力就附加在傳感器的(de)壓力值中。在光(guāng)學MEMS器件中,由于沖擊、震動或熱(rè)膨脹等原因而産生的(de)封裝應力會使光(guāng)器件和(hé)光(guāng)纖之間的(de)對(duì)準發生偏移。在高(gāo)精度加速度計和(hé)陀螺儀中,封裝需要和(hé)MEMS芯片隔離以優化(huà)性能。

  根據生産的(de)MEMS器件類型的(de)不同,電子性能的(de)考慮可(kě)以決定所選封裝類型的(de)策略。例如,電容傳感MEMS器件會産生非常小、并可(kě)以被電子器件所識别的(de)電荷,在設計時(shí)就需要特别注意電路和(hé)封裝中的(de)信号完整性問題。  通(tōng)常,大(dà)多(duō)數基于MEMS的(de)系統方案都對(duì)MEMS芯片提供相應的(de)電路補償、控制和(hé)信号處理(lǐ)單元。因此,一個(gè)MEMS芯片和(hé)定制ASIC芯片可(kě)以被集成在同一個(gè)封裝内。同樣,電路也(yě)可(kě)以是集成了(le)MEMS器件的(de)單芯片、單封裝。

  MEMS傳感器:新應用(yòng)層出不窮

  除了(le)以上提到的(de)部分(fēn)常見的(de)應用(yòng)外,MEMS還(hái)在解決一些全球問題上發揮了(le)重要作用(yòng)。例如,MEMS傳感器正在用(yòng)于能源領域,幫助尋找和(hé)開發新的(de)能源:地震檢波器用(yòng)于勘探石油和(hé)天然氣,慣性傳感器用(yòng)于随鑽測量,通(tōng)過改善工業流程、高(gāo)效住宅取暖和(hé)精确計費系統來(lái)充分(fēn)利用(yòng)當前的(de)能源。MEMS也(yě)在幫助解決其它社會問題,如老齡化(huà)和(hé)肥胖,還(hái)可(kě)以提供針對(duì)老人(rén)的(de)侵入性較小的(de)監控方式,實現成本适當的(de)、連續性的(de)診斷,以更好和(hé)更舒适地給藥。MEMS已進入我們的(de)生活,從技術到醫藥到健康無所不在,2011年這(zhè)種趨勢必将更加明(míng)顯。

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