分析MEMS传感器的发展及应用

2022-12-24

目前, 传感技术的发展受到世界各国的重视, 被列为事关国家经济和科技进步的关键技术, 其中以MEMS (微电子机械系统) 技术为基础的传感器发展尤为迅速, 已成为当下相关领域的研究热点和重点[1], 在工业、农业、国防、航空航天、交通、家庭服务等各个领域都有巨大的应用前景。

一、MEMS传感器的概念与特点

MEMS传感器是一种使用微机械加工技术制造而成的新型传感器, 具有机械可动结构和微电子加工的优点, 能够在微小尺度上感知外界的电、磁、声、光等被测信号, 是MEMS器件的一个重要分支。

MEMS传感器的显著特点有: (1) 体积小:相对于普通传感器的较大尺寸, MEMS传感器的尺寸为毫米量级甚至更小, 重量从微克到几十克, 由此具有低能耗、小惯性、高谐振频率的优点。 (2) 易于接口:面向物联网和传感网设计的MEMS传感器, 采用串行SPI或者I2C接口, 易于集成和使用, 具备在网络中应用的条件硬件条件。 (3) 利于集成:普通传感器外形各异, 而MEMS传感器外形类似芯片的封装, 基本一致, 特别利于集成和批量生产。目前, 集成朝着多功能化方向发展, 即把具有不同功能的多个传感器集成在一起, 形成微传感器阵列[2], 甚至可以把多种功能的器件集成在一起, 形成复杂的微系统。 (4) 制造工艺多样化:目前, MEMS传感器的制备工艺有体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、LIGA工艺等等, 各种新工艺层出不穷。 (5) 多学科交叉:MEMS传感器涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术, 具有广阔的应用前景。

二、MEMS传感器的发展现状

目前, MEMS技术的发展突飞猛进, 多种MEMS传感器已经批量生产并实用化, 主要用于测量惯性、压力、微流量等, 而目前市售的MEMS压力传感器、MEMS加速度传感器、微机械陀螺仪、MEMS喷墨头、MEMS硬盘驱动头已取得了巨大的经济效益。

(一) MEMS压力传感器

MEMS压力传感器应用广泛, 发展速度快。采用体硅工艺制造而成的集成电容式MEMS传感器的一个活动电极为金属化膜片层, 随着被测压力的大小移动, 另一个金属化电极为固定电极, 活动电极与固定电极形成一个电容器, 利用膜片产生的位移使电容量发生变化的效应, 从而把被测压力转换为电容量的变化。该压力传感器的特点是能耗少、灵敏度高以及输出信号受温度影响小, 除可测量压力外, 还用于流量和加速度的测量。MEMS压力传感器在临床化验系统、诊断与健康监测系统等方面都有应用。

(二) MEMS陀螺仪

MEMS陀螺仪[3]在基底上有两组沿旋转轴对称的感应部件, 每个感应部件由固定电极和运动电极构成, 运动电极沿径向持续震荡, 且两个运动电极运动方向相反, 从外部施加一个角速度, 则处于径向运动的运动电极就会产生一个与运动方向垂直的科里奥利力, 该力使运动电极发生位移, 而位移大小与所施加的角速度大小成正比, 从而使得该位移带动运动电极运动, 因此, 固定电极与运动电极所形成的电容器的电容量发生变化, 最终使得输入量 (角速度) 转化为电参数 (电容量) , 再由后续电路转换为电量的变化。MEMS陀螺仪将机械感应元器件与其调节电路放在同一个封装内, 智能设计方法结合先进的封装解决方案使得产品的封装尺寸大幅缩减, 多轴陀螺仪的系统封装面积仅为3×5mm2, 最大厚度仅为1mm。

汽车电子信息系统根据MEMS微陀螺仪所采集的信息来判断是否开启电子稳定控制制动系统, 从而大大降低汽车急转弯时意外事故的发生率;根据滚转陀螺仪采集的信息, 来判断是否打开安全气囊。在消费电子产品上, 陀螺仪传感器与加速度传感器配合可以实现特有动作识别和手势定位功能, 如体感游戏等。数码相机使用陀螺仪检测人手的旋转运动, 能够对图形起到稳定的作用。

三、MEMS传感器的应用

(一) MEMS传感器应用于物联网

随着通讯技术的高速发展, MEMS传感器的应用进一步推动了物联网的发展。物联网是一种智能化网络, 能够通过对象之间的互联、互通, 实现跟踪、定位、识别、管理等多种功能。传感器属于物联网三层结构中的最底层——感知层, 是物联网整个链条需求总量最大和最基础的环节, 其主要任务是把被测量转化为可供处理的数字信号。近几年, 传感器技术发展迅速, 探测精度提高、制作成本降低、芯片体积减小, 大大促进了物联网产业的快速扩张。从物联网的应用需求来看, 物联网传感器及传感网络主要应用在公共管理、行业、个人市场等三大领域。而物联网的发展又进一步推动传感器的发展, 并且重心逐渐转向技术含量较高的MEMS传感器领域。

(二) MEMS传感器应用于环境检测

大气监测是环保的重要方面, 采用MEMS传感器可监测的内容有:风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等。另外, 工业应用中的气体成分检测, 日常生活中的空气质量检测、温室气体浓度监测等方面都需要对气体成分进行检测, 而MEMS传感器是不可或缺的重要器件。基于MEMS传感器的环境检测系统能同时对存在的多种气体进行定性检测, 并能定量分析其中的各气体成分, 实现了对混合气体迅速、准确的在线检测。另外, 随微电子加工工艺的进步、材料的多样化、无线网络技术的普及, MEMS传感器在严酷环境中, 能对被测量进行高质量的稳定监测。个人应用方面, 内建于手机中的MEMS环境传感器可计算使用者消耗的卡路里数、显示位置的海拔标高、空气中的湿度、当下气温, 以及感测环境中的光线等[4]。

(三) MEMS传感器应用于3D定位技术

MEMS传感器与惯性测量、惯性捕捉等技术结合, 应用于3D定位系统, 可实现人体运动识别、贵重物品跟踪、机器人姿态检测等功能。在无人机飞行姿态控制技术上, 利用MEMS传感器检测技术, 通过计算角度变化, 确定出位置和飞行姿态, 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;在无人驾驶技术上, GPS在信号较差的地方比如地下车库、隧道, 以及信号受到干扰的时候, 汽车的导航会受到影响, 而利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置信号, 把车辆任何细微的动作和倾斜姿态, 都转化为数字信号, 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[1]。