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新型傳感器及應用——MEMS傳感器

發(fā)布時間:2011-03-24

中心議題:
  • 汽車和消費電子推動MEMS應用
  • MEMS傳感器技術詳細分析
  • 知名廠商及其相關產(chǎn)品介紹
  • MEMS傳感器封裝工藝探討
  • MEMS傳感器的新應用領域展望


 
當今的趨勢,無論是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能手機的熱潮、移動網(wǎng)絡的崛起,都和傳感器有著密切的關系。傳感器已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘I?,存在于每個角落,大到汽車、工業(yè)設備,小到手機,都大量使用了各種傳感器——這正符合了智能化的潮流,而傳感器則是其中最基本也是最重要的一環(huán)。

傳感器種類多樣,因此根據(jù)用途、原理都有特定的分類。例如接近傳感器、 霍爾傳感器、溫度/壓力傳感器、電流傳感器等等。而傳感技術在近年來也得到了長足的發(fā)展,MEMS 就是最具代表性的例子,MEMS技術讓我們能夠在有限的空間內(nèi)最大限度地發(fā)揮傳感器的功能,廣泛用于多種場合。

那么什么是MEMS?在維基百科中,這項技術的解釋是:微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical Systems,MEMS)是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業(yè)技術,它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。比它更小的,在納米范圍的類似的技術被稱為納機電系統(tǒng)。   

完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS傳感器能夠?qū)⑿畔⒌墨@取、處理和執(zhí)行集成在一起,組成具有多功能的微型系統(tǒng),從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。它還能夠使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個芯片上,從而降低成本,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。

兩大應用領域推動MEMS傳感技術應用
MEMS傳感器目前主要應用在汽車和消費電子兩大領域。

消費電子領域中,任天堂公司曾在Wii無線游戲機中使用 MEMS器件,允許使用者通過運動和點擊互相溝通和在屏幕上處理一些需求,其原理是將運動(例如揮舞胳膊模仿網(wǎng)球球拍的運動)轉(zhuǎn)化為屏幕上的游戲行為。早前,任天堂和ADI宣布將ADI的ADXL330 iMEMS加速度計整合到任天堂的Wii游戲控制臺中。加速度計幫助任天堂把視頻游戲提升到一個新的水平。

目前大多數(shù)手機都含有MEMS傳感器實現(xiàn)重力加速計和陀螺儀的功能,例如被用在iPhone中。通過對旋轉(zhuǎn)時運動的感知,iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示,以便消費者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數(shù)字圖片。

在汽車應用中,用到越來越多的MEMS傳感器。包括安全氣囊中的汽車安全氣囊感應器、懸架控制、翻滾等。另外還包括汽車MEMS壓力傳感器和輪胎氣壓自動監(jiān)測系統(tǒng),MEMS壓力傳感器適合于任何類型的輪胎,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(zhuǎn)速和其它一些數(shù)據(jù),并用特定的代碼發(fā)送出來。另外,汽車導航中的GPS信號補償、氣缸內(nèi)壓力測量等等大多數(shù)汽車子系統(tǒng)中。

MEMS應用的廣泛性,從以下文章可見一斑。
車用MEMS行情看漲
2010年全球MEMS市場增長11.1%
高價值MEMS市場成長強勁
MEMS應用的下一個爆發(fā)點
今年MEMS麥克風出貨近6.96億顆

iPhone 4上的MEMS 傳感器

iPhone4 上用到的MEMS 傳感器大致一下幾種。影像傳感器:簡單說就是相機鏡頭,由于只牽涉到微光學與微電子,沒有機械成份在里頭,即便加入馬達、機械驅(qū)動的鏡頭。磁阻傳感器:簡單講就是感測地磁。感應地磁就是指南針原理,將這種地磁感應電子化、數(shù)字化,就稱為數(shù)字指南針(DigitalCompass)。老實說,數(shù)字指南針技術比較偏玩具性,因為用來感測地磁的磁阻傳感器,很容易受環(huán)境影響(如高壓電塔旁、馬達旁),必須時時校正才有用。磁阻傳感器目前沒有被視為熱門的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,iPhone4為了強化聲音質(zhì)量,使用2組麥克風與相關運算來達到降噪(降低噪音)的效果,這種技術稱為數(shù)組麥克風 (ArrayMIC),事實上早在Apple實行之前,2004年就已經(jīng)在PC上提出過,差別是蘋果用于手機,Wintel用于PC。麥克風需要微型化嗎?相當需要。且使用一個以上的麥克風,麥克風的體積縮小需求就更迫切,麥克風也牽涉到機械(聲波會使微型機械振動),并將機械振動轉(zhuǎn)換成電子信號,因此微型化的麥克風,是個不折不扣的MEMS傳感器。加速度傳感器:俗稱加速規(guī)、G-Sensor,可以感應物體的加速度性。事實上加速度傳感器的實現(xiàn)方式也是許多種,MEMS只是手法之一,用MEMS實現(xiàn)加速度傳感器確實是目前的趨勢。加速度傳感器一般有“X、Y兩軸”與“X、Y、Z三軸”兩種,兩軸多用于車、船等平面移動為多,三軸多用于飛彈、飛機等飛行物。而不用多說,Wii遙控器也是用三軸,iPhone可以感應實體翻轉(zhuǎn)而自動對應翻轉(zhuǎn)畫面,靠的就是這個傳感器。角加速度傳感器:iPhone4確實是率先使用陀螺儀的手機。更簡單講就是陀螺儀,陀螺儀實現(xiàn)技術有機械式與光學(紅外線、雷射)式,第六項的加速度傳感器比較能感測平移性,但對于物體有個軸心,進行角度性的移動, 則其感應效果不如陀螺儀好。

對于MEMS傳感器的技術和分析可以參考下面幾篇文章:
iPhone4 MEMS傳感器技術詳細解析
將MEMS傳感器用于各種創(chuàng)新的消費類產(chǎn)品設計
MEMS振蕩器技術設計思路[page]

廠商競逐MEMS市場
根據(jù) iSuppli的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出,2010年前10大MEMS廠商在消費電子和行動裝置領域的營收排名依序為:意法半導體、安華高(Avago)、樓氏電子(Knowles)、德州儀器(TI)、博世(Bosch Sensortec)、應美盛(InvenSense)、Panasonic、TriQuint、Kionix和愛普生(Epson Toyocom)。

除了知名的半導體廠商如意法半導體、德州儀器、ADI 以外,元器件廠商中也有關注MEMS方案的廠商,例如愛普科斯。

TDK旗下的TDK-EPC(原愛普科斯)前兩年就開始在MEMS市場有動作,包括展開了多個收購 ,擴 展 了 其MEMS相關技術和產(chǎn)品領域。產(chǎn)品也包括可調(diào)匹配網(wǎng)絡(RFMEMS)、硅麥克風(MEMS麥克風)、壓阻式壓力傳感器。

愛普科斯收購Technitrol公司后,由于Technitrol的 MEMS麥克風專有技術和一系列專利技術可與愛普科斯的封裝工結(jié)合,因此,MEMS麥克風也成為愛普科斯擴展手機產(chǎn)品的合理選擇。

相關產(chǎn)品:
T5000/ABS1200E:EPCOS最小MEMS核心氣壓傳感器
ADXL001:ADI公司基于MEMS的振動傳感器
意法半導體全力打造消費電子類MEMS
形D6F-70:歐姆龍推出MEMS流量傳感器用于燃料電池

關于MEMS 傳感器的封裝
封裝曾是MEMS技術的難點。不過,生產(chǎn)工藝的提升使得產(chǎn)品良率有很大提升,現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品的價格已經(jīng)下降了很多,技術難題也逐漸得到了解決。

傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。隨著MEMS封裝技術取得了很大進展,出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術,大多數(shù)研究都集中在特殊應用的不同封裝工藝,但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設計,通??蓪⑵浞譃?個封裝層次:芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。

從傳感器的應用來說,有些MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進行相互影響。例如,在壓阻傳感器內(nèi),封裝應力就會影響傳感器的輸出。當封裝中不同材料混合使用時,它們的膨脹和收縮系數(shù)不同,因此,這些變化引起的應力就附加在傳感器的壓力值中。在光學MEMS器件中,由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產(chǎn)生的封裝應力會使光器件和光纖之間的對準發(fā)生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中,封裝需要和MEMS芯片隔離以優(yōu)化性能(見下圖)。

根據(jù)生產(chǎn)的MEMS器件類型的不同,電子性能的考慮可以決定所選封裝類型的策略。例如,電容傳感MEMS器件會產(chǎn)生非常小、并可以被電子器件所識別的電荷,在設計時就需要特別注意電路和封裝中的信號完整性問題?! ⊥ǔ#蠖鄶?shù)基于MEMS的系統(tǒng)方案都對MEMS芯片提供相應的電路補償、控制和信號處理單元。因此,一個MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一個封裝內(nèi)。同樣,電路也可以是集成了MEMS器件的單芯片、單封裝。

更多內(nèi)容,請參考:
MEMS封裝級設計
MEMS組件封裝高度降至0.9mm
加拿大將向MEMS及三維封裝研究項目投入1億7800萬美元

MEMS傳感器:新應用層出不窮
除了以上提到的部分常見的應用外,MEMS還在解決一些全球問題上發(fā)揮了重要作用。例如,MEMS傳感器正在用于能源領域,幫助尋找和開發(fā)新的能源:地震檢波器用于勘探石油和天然氣,慣性傳感器用于隨鉆測量,通過改善工業(yè)流程、高效住宅取暖和精確計費系統(tǒng)來充分利用當前的能源。

MEMS也在幫助解決其它社會問題,如老齡化和肥胖,還可以提供針對老人的侵入性較小的監(jiān)控方式,實現(xiàn)成本適當?shù)摹⑦B續(xù)性的診斷,以更好和更舒適地給藥。

MEMS已進入我們的生活,從技術到醫(yī)藥到健康無所不在,2011年這種趨勢必將更加明顯。

更多詳細內(nèi)容,請參考:
MEMS技術成醫(yī)療電子發(fā)展新動力
MEMS流體陀螺

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