MEMS技术:物联网传感器的未来

MEMS技术驱动传感器变小,而传感器越来越小,又使物联网触角延伸得越来越广。

  您是否想过iPhone中有多少个单独的组件?有加速度计和陀螺仪可以检测手机的运动;有光传感器,温度传感器,压力传感器和湿度传感器可测量手机的环境。然后是用于连接的RFID,蓝牙和WiFi传感器,以及用于声音的麦克风和扬声器。这些组件中的大多数是微机电系统(MEMS)。MEMS设备是尺寸在1微米至1毫米之间的机器。

  MEMS技术驱动传感器变小,而传感器越来越小,又使物联网触角延伸得越来越广。

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  什么是MEMS技术?

  微机电系统(MEMS)技术使用半导体制造工艺来生产尺寸范围从小于一微米到几毫米的小型化机械和机电元件。MEMS设备可以从没有运动元件的相对简单的结构到具有多个运动元件的复杂的机电系统。

  微机电系统不仅用于传感器,还用于许多领域。除了感知传感器外,还用于 通信模块,执行器和数据处理设备。它们都是 微型机器,  其组件的大小 从微米(百万分之一米)到毫米不等。

  MEMS设备范围很广,从没有任何活动部件的简单机器到  具有多个活动部件的复杂机电系统。这些系统有许多不同类型:  磁性,电气,热,化学,光学和机械系统。

  制造MEMS器件需要采用与制造其他半导体电路相同的许多技术:氧化,扩散,离子注入,低压化学气相沉积( LPCVD),溅射等。另外,MEMS使用诸如微机械加工的专门工艺。

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  与早期实现相同功能的方法相比,MEMS设备更小,成本更低,功耗更低。它们也非常敏感且非常准确。MEMS器件还具有出色的可重复性,因此还受益于半导体工艺技术固有的严格公差。

  不利的一面是,尽管零件的生产成本非常低,但与设计,鉴定和制造MEMS产品相关的投资却很大。结果,制造商不太可能为小批量应用开发零件。

  MEMS器件类型和MEMS应用

  典型的MEMS传感器采用机械结构,该机械结构可响应机械或电气刺激(压力,运动,加速度,磁场等)而以受控方式运动。其中典型的技术是使用移动来改变可变电容的极板之间的距离。

  输出可以采用多种形式:模拟电压;输出电压;标准串行总线,例如SPI或I2C;或在汽车安全气囊应用中流行的专用协议(例如DSI或PSI5);无线连接选项包括低功耗蓝牙(BLE)。

  MEMS器件可用作单功能传感器。在同一封装中捆绑了多个MEMS类别的模块;以及高度集成的片上系统(SoC)器件,将MEMS器件,信号调理电子器件甚至嵌入式处理器集成在一个部件中。

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陀螺仪需要多个MEMS结构来测量角运动

  MEMS技术已通过测量它们对适当MEMS结构的影响而应用于测量许多不同的数量。

  MEMS 陀螺仪通过利用科里奥利加速度来测量角旋转,该加速度在质量朝向和远离旋转中心移动时在MEMS框架上产生力。陀螺仪有单轴,双轴和三轴版本,适用于不同的应用:例如,双轴陀螺仪用于游戏和光学图像稳定,而三轴陀螺仪可满足汽车远程信息处理和导航的需求。

  加速度计还使用框架中的质量来测量静态加速度(即重力)和动态加速度(例如振动,运动,倾斜,冲击等)。归入加速度计的设备包括倾角仪,震动传感器,脑震荡传感器,倾斜传感器和运动传感器。加速度计还具有不同的轴组合:在汽车碰撞传感器中发现单轴设备,在机器人技术,振动监控和防篡改应用中出现三维单元。

  压力传感器通过其在MEMS结构中引起的偏转来测量压力。有一些版本可以测量相对于大气压的压力,也可以测量相对于真空密封室的绝对压力。MEMS压力传感器还可以间接测量其他量,例如流体流量,高度和水位。

  磁力计使用各种物理现象,例如霍尔效应,并测量磁场引起的机械效应。

  惯性测量单元(IMU)测量线性和通过组合三轴加速度计和陀螺仪成单个单元角加速度; IMU还可以包括磁力计和压力传感器,以提供有关设备三维方向和运动的信息:x,y和z轴上的加速度;俯仰,滚动,偏航,高度;。应用包括无人驾驶自动驾驶汽车(UAV),机器人技术和工厂自动化,航空电子设备,智能手机和平板电脑,虚拟现实和游戏。

  MEMS麦克风通过测量声波撞击由可移动膜片和固定背板组成的可变电容元件时的电容变化来工作。它们被广泛用于空间受限的消费类应用,例如智能手机和平板电脑。

  MEMS生物传感器中,生物分子相互作用导致MEMS结构中可测量的运动。例如,在结核病(TB)检测中,涂有TB抗体的MEMS悬臂在将受感染的血液样本置于其上时会发生偏转。

  MEMS气体传感器通过测量在涂覆的传感器的表面诱导的电阻变化来检测气体的存在。该传感器可以检测到低浓度的目标气体,典型响应时间少于一秒。甲湿度传感器  被优化以检测水蒸汽。

  RF MEMS开关将静电驱动的悬臂梁与单独的驱动器IC结合使用,以代替RF开关应用中不可靠的笨重机电继电器。可以使用多种开关配置:例如,ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置,可以处理从DC到14GHz的信号。

  MEMS光致动器,例如德州仪器(TI)的数字微镜设备(DMD),使用MEMS技术形成了大量独立控制的镜面。每个反光镜均可在电子控制下倾斜,以在“开启”和“关闭”状态之间切换。启用时,像素将来自投影仪灯泡的光反射到透镜中,使其显得明亮。在关闭状态下,光线会指向其他地方,从而使像素看起来很暗。

  MEMS振荡器包含一个谐振器,该谐振器在来自模拟驱动器芯片的静电激励下振动。MEMS振荡器可以产生1Hz至数百MHz的频率,具有出色的稳定性,低功耗和高抗电磁干扰(EMI)能力。

  物联网中的MEMS

  物联网对微型,低成本传感器进行监控生产的各个方面都有巨大的需求。这些传感器必须将信息传达到工厂网络中的其他节点,并且必须在工厂恶劣的电气和机械环境中可靠地运行。MEMS设备是为此目的而量身定制的:它们体积小,坚固耐用,可在同一封装中包含额外的电路块以实现有线或无线连接。

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  MEMS设备可以有效满足许多物联网应用的要求:

  1:低功耗

  物联网传感器和网关通常需要无线和电池供电。由于单位成本较低,因此更换整个单位通常比重新安装新电池便宜。因此,功耗的任何减少都会延长设备的使用寿命。某些MEMS与较大的MEMS面临相同的功率要求。其他人则利用电磁力或流体动力学中的不同力来降低功率消耗而又不牺牲功能性(例如,考虑通过小管道输送水的表面张力情况)。

  2:小型

  用户通常希望IoT设备在办公室和家庭环境中体积小且不引人注目。根据定义,MEMS是不引人注目的。但是,除了用户需求以外,在某些物联网应用中,可能需要将该设备添加到现有机器(例如汽车)中,该机器的硬件空间有限。在可穿戴设备和生物医学应用等其他情况下,小尺寸是必须满足的关键要求。由于其较小的性质,MEMS满足并超过了这些要求。

  3:成本效益

  在部署物联网解决方案时,规模通常是一个主要问题。例如,当在农田上放置传感器以监测天气和湿度时,每英亩将需要播种许多设备。或考虑一种资产跟踪解决方案,其中可能需要跟踪非常大量(且可变)的资产。在诸如运输的其他应用中,设备可能只是一次性使用。MEMS是通过称为光刻的工艺制成的,这使得批量生产变得容易且具有成本效益。

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  随着将更多设备和应用程序添加到物联网中,MEMS将成为更可行的解决方案。

  例如MEMS传感器在工业物联网中的诸多应用:

  工业机器人使用基于MEMS的3-D陀螺仪和加速度计来连续测量角速度和方向的变化,从而取代了昂贵的旋转传感器和编码器。它们还可以检测关节和执行器中的过度振动,这可能是过早失效的预兆。

  MEMS加速度计可以检测其他工业机器中的有害振动或感应有害的冲击;MEMS压力传感器测量水流量和气压;MEMS气体传感器检查有毒气体排放;MEMS温度传感器是许多工业过程的关键部分。

  在物联网网络基础设施中,MEMS振荡器在监督机器人和其他单元运行的可编程逻辑控制器(PLC)中受到欢迎。光学设备适用于人机界面(HMI)显示屏。

  工厂自身以多种方式使用MEMS.压力,温度和湿度传感器 有助于控制HVAC系统。防篡改传感器安装在智能电表中;如果发生地震,MEMS震动传感器可以帮助切断供气。

  经过校准,经过温度补偿的MEMS传感器可测量LPG和CNC驱动的车辆中的气体压力,这些车辆将产品运输到装卸平台。产品出厂后,资产跟踪系统便使用MEMS监控货物的撞击和振动。

  未来值得关注的MEMS传感器应用领域

  自动驾驶汽车需要数十个传感器与周围环境互动。这些传感器还必须尽可能小,以免占用其他设备(载人和电池)所需的空间。 因此,汽车行业是MEMS传感器生产和使用有望增长最多的领域之一。

  基于MEMS技术的加速度计具有很高的灵敏度,并且在极端关键的应用中具有故障安全性能,例如在汽车最终用户内部的气囊激活和车辆稳定性方面。

  正在探索使用MEMS技术的另一个领域是麦克风。MEMS麦克风可以例如减少用于手机的免提设备的尺寸,并专门为听觉有障碍的人们制造更小巧,更谨慎的辅助设备。

  最壮观而有趣的使用场景也许是生物技术和医疗技术。诸如胃肠道检查可以通过照相机和试管来完成,并使用小型的引导机器人来执行。

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枭枭

集成电路设计行业资深记者,传感器专家网专栏编辑。