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新型传感器及应用——MEMS传感器

我爱方案网| MEMS传感器,MEMS,新型传感器| 2011-03-25
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中心议题:
    * 汽车和消费电子推动MEMS应用
    * MEMS传感器技术详细分析
    * 知名厂商及其相关产品介绍
    * MEMS传感器封装工艺探讨
    * MEMS传感器的新应用领域展望

 
当今的趋势,无论是物联网的发展、智能手机的热潮、移动网络的崛起,都和传感器有着密切的关系。传感器已经渗透到我们日常生活,存在于每个角落,大到汽车、工业设备,小到手机,都大量使用了各种传感器——这正符合了智能化的潮流,而传感器则是其中最基本也是最重要的一环。

传感器种类多样,因此根据用途、原理都有特定的分类。例如接近传感器、 霍尔传感器、温度/压力传感器、电流传感器等等。而传感技术在近年来也得到了长足的发展,MEMS 就是最具代表性的例子,MEMS技术让我们能够在有限的空间内最大限度地发挥传感器的功能,广泛用于多种场合。

那么什么是MEMS?在维基百科中,这项技术的解释是:微机电系统(Microelectromechanical Systems,MEMS)是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米范围内。比它更小的,在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。  

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。MEMS传感器能够将信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它还能够使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上,从而降低成本,适用于大规模生产。

两大应用领域推动MEMS传感技术应用

MEMS传感器目前主要应用在汽车和消费电子两大领域。

消费电子领域中,任天堂公司曾在Wii无线游戏机中使用 MEMS器件,允许使用者通过运动和点击互相沟通和在屏幕上处理一些需求,其原理是将运动(例如挥舞胳膊模仿网球球拍的运动)转化为屏幕上的游戏行为。早前,任天堂和ADI宣布将ADI的ADXL330 iMEMS加速度计整合到任天堂的Wii游戏控制台中。加速度计帮助任天堂把视频游戏提升到一个新的水平。

目前大多数手机都含有MEMS传感器实现重力加速计和陀螺仪的功能,例如被用在iPhone中。通过对旋转时运动的感知,iPhone可以自动地改变横竖屏显示,以便消费者能够以合适的水平和垂直视角看到完整的页面或者数字图片。

在汽车应用中,用到越来越多的MEMS传感器。包括安全气囊中的汽车安全气囊感应器、悬架控制、翻滚等。另外还包括汽车MEMS压力传感器和轮胎气压自动监测系统,MEMS压力传感器适合于任何类型的轮胎,在轮胎胎壁埋设一小块感压力敏芯片,自动测量轮胎气压、温度、转速和其它一些数据,并用特定的代码发送出来。另外,汽车导航中的GPS信号补偿、气缸内压力测量等等大多数汽车子系统中。

iPhone 4上的MEMS 传感器

iPhone4 上用到的MEMS 传感器大致一下几种。影像传感器:简单说就是相机镜头,由于只牵涉到微光学与微电子,没有机械成份在里头,即便加入马达、机械驱动的镜头。磁阻传感器:简单讲就是感测地磁。感应地磁就是指南针原理,将这种地磁感应电子化、数字化,就称为数字指南针(DigitalCompass)。老实说,数字指南针技术比较偏玩具性,因为用来感测地磁的磁阻传感器,很容易受环境影响(如高压电塔旁、马达旁),必须时时校正才有用。磁阻传感器目前没有被视为热门的MEMS 组件,有些MEMS组件会追加整合磁阻感测能力。声波传感器:学名声波传感器,俗名麦克风。是的,iPhone4为了强化声音质量,使用2组麦克风与相关运算来达到降噪(降低噪音)的效果,这种技术称为数组麦克风 (ArrayMIC),事实上早在Apple实行之前,2004年就已经在PC上提出过,差别是苹果用于手机,Wintel用于PC。麦克风需要微型化吗?相当需要。且使用一个以上的麦克风,麦克风的体积缩小需求就更迫切,麦克风也牵涉到机械(声波会使微型机械振动),并将机械振动转换成电子信号,因此微型化的麦克风,是个不折不扣的MEMS传感器。加速度传感器:俗称加速规、G-Sensor,可以感应物体的加速度性。事实上加速度传感器的实现方式也是许多种,MEMS只是手法之一,用MEMS实现加速度传感器确实是目前的趋势。加速度传感器一般有“X、Y两轴”与“X、Y、Z三轴”两种,两轴多用于车、船等平面移动为多,三轴多用于飞弹、飞机等飞行物。而不用多说,Wii遥控器也是用三轴,iPhone可以感应实体翻转而自动对应翻转画面,靠的就是这个传感器。角加速度传感器:iPhone4确实是率先使用陀螺仪的手机。更简单讲就是陀螺仪,陀螺仪实现技术有机械式与光学(红外线、雷射)式,第六项的加速度传感器比较能感测平移性,但对于物体有个轴心,进行角度性的移动, 则其感应效果不如陀螺仪好。

厂商竞逐MEMS市场

根据 iSuppli的统计数据指出,2010年前10大MEMS厂商在消费电子和行动装置领域的营收排名依序为:意法半导体、安华高(Avago)、楼氏电子(Knowles)、德州仪器(TI)、博世(Bosch Sensortec)、应美盛(InvenSense)、Panasonic、TriQuint、Kionix和爱普生(Epson Toyocom)。
 
除了知名的半导体厂商如意法半导体、德州仪器、ADI 以外,元器件厂商中也有关注MEMS方案的厂商,例如爱普科斯。

TDK旗下的TDK-EPC(原爱普科斯)前两年就开始在MEMS市场有动作,包括展开了多个收购 ,扩 展 了 其MEMS相关技术和产品领域。产品也包括可调匹配网络(RFMEMS)、硅麦克风(MEMS麦克风)、压阻式压力传感器。

爱普科斯收购Technitrol公司后,由于Technitrol的 MEMS麦克风专有技术和一系列专利技术可与爱普科斯的封装工结合,因此,MEMS麦克风也成为爱普科斯扩展手机产品的合理选择。

关于MEMS 传感器的封装


封装曾是MEMS技术的难点。不过,生产工艺的提升使得产品良率有很大提升,现在MEMS产品的价格已经下降了很多,技术难题也逐渐得到了解决。

传统的MEMS封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。随着MEMS封装技术取得了很大进展,出现了众多的MEMS封装技术,大多数研究都集中在特殊应用的不同封装工艺,但又开发了一些较通用、较完善的封装设计,通常可将其分为3个封装层次:芯片级封装、圆片级封装、系统级封装。

从传感器的应用来说,有些MEMS器件的封装必须能够和环境进行相互影响。例如,在压阻传感器内,封装应力就会影响传感器的输出。当封装中不同材料混合使用时,它们的膨胀和收缩系数不同,因此,这些变化引起的应力就附加在传感器的压力值中。在光学MEMS器件中,由于冲击、震动或热膨胀等原因而产生的封装应力会使光器件和光纤之间的对准发生偏移。在高精度加速度计和陀螺仪中,封装需要和MEMS芯片隔离以优化性能(见下图)。
 
                                                      封装需要和MEMS芯片隔离以优化性能
根据生产的MEMS器件类型的不同,电子性能的考虑可以决定所选封装类型的策略。例如,电容传感MEMS器件会产生非常小、并可以被电子器件所识别的电荷,在设计时就需要特别注意电路和封装中的信号完整性问题。  通常,大多数基于MEMS的系统方案都对MEMS芯片提供相应的电路补偿、控制和信号处理单元。因此,一个MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一个封装内。同样,电路也可以是集成了MEMS器件的单芯片、单封装。

MEMS传感器:新应用层出不穷


除了以上提到的部分常见的应用外,MEMS还在解决一些全球问题上发挥了重要作用。例如,MEMS传感器正在用于能源领域,帮助寻找和开发新的能源:地震检波器用于勘探石油和天然气,惯性传感器用于随钻测量,通过改善工业流程、高效住宅取暖和精确计费系统来充分利用当前的能源。

MEMS也在帮助解决其它社会问题,如老龄化和肥胖,还可以提供针对老人的侵入性较小的监控方式,实现成本适当的、连续性的诊断,以更好和更舒适地给药。

MEMS已进入我们的生活,从技术到医药到健康无所不在,2011年这种趋势必将更加明显。
                                    

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