MEMS传感器在工业自动化中的关键作用

继机电一体化之后,这是微型机电一体化的时代。

  工业自动化是一个突出的业务,它正朝着一个新的方向迈进。对品种、定制产品和产品差异化的需求不断增加,使得制造商很难批量生产零部件。

  随后,小批量和批量生产会给组织带来巨大的成本。因此,公司开始在工业自动化领域探索新技术和新机遇;其中一项技术就是微电子机械系统(MEMS)。继机电一体化之后,这是微型机电一体化的时代。

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  MEMS——先进半导体技术

  MEMS体现了一种先进的半导体技术,它包括单个芯片上的移动元件和电子元件。

  它致力于将集成电路(IC)制造技术(如互补金属氧化物半导体(CMOS)、BiCMOS(双极结晶体管和CMOS技术的集成)与创新的硅微加工444结合在一起。

  MEMS制造技术包括体积微机械加工,包括对基底材料进行部分蚀刻或使用化学物质去除基底形成结构,以及表面微机械加工,其中材料沉积在基底上并形成结构。

  MEMS技术提供的可靠性、可扩展性、灵敏度和成本效益高的解决方案为工业自动化领域提供了大量的MEMS应用机会。压力传感器和惯性传感器(如加速度计和陀螺仪)是影响工业自动化领域的MEMS传感器类型。

  例如,硅微机械压力传感器在工业过程控制、汽车测试、液压和气动监控/控制等工业应用中都有应用。压力传感器的其他广泛应用包括冰箱状态监测、制冷剂回收、HVAC风机控制或可变风量测量、压力逐渐升高检测、泄漏和压降检测以及许多其他工业过程控制应用。

  工业微型机电一体化时代

  MEMS技术对工业机器人尤其有利,因为该技术可以应用于触觉传感器、导航或接近传感器

  由于商业可行性较低的趋势以及某些非MEMS近距离传感技术在工业领域的根深蒂固,在将MEMS技术应用于制造接近或位置传感器方面的研究受到限制。

  然而,MEMS技术允许开发或生产成本较低的触觉传感器,使机器人能够获得感官信息,以便以更通用、自主的方式做出决策和执行动作。

  微型化的趋势为多传感器在机器人、制造过程、过程控制以及生物技术和生命科学等领域的应用带来了机遇。

  多传感器提高了对多个参数进行精确可靠测量的能力。一个关键的例子是美国宇航局开发的高温气体传感器阵列,也称为电子鼻。

  该鼻传感器阵列采用MEMS技术制造,由多个传感器组成,适用于高温环境。该阵列由掺杂氮氧化物灵敏度的氧化锡传感器、基于碳化硅的碳氢化合物传感器和氧传感器组成。

  传感器的工作原理不同,分别是电阻、二极管和电化学电池,每个传感器对环境中的个别气体有着截然不同的响应。

  鼻阵适用于高温环境,可以监测化学物质。由于多传感器具有提供大量数据或信息的能力,可以提供更好的系统性能,因此,多传感器的发展趋势越来越明显。

  MEMS湿度传感器在制造业具有潜力,主要用于不同行业的暖通空调系统。工业自动化市场的直接应用受到限制。Hygrometric Inc.参与制造基于水蒸气的MEMS湿度传感器。

  MEMS制造的热电堆是红外(IR)传感器,用于测量各种工业应用中的温度变化,如表面温度监测和包装(如食品和车辆)的温度控制。

  这种装置也在红外气体测量仪器中,反过来又被用于传感二氧化碳,用于建筑物的按需通风。

  基于MEMS的热电堆红外传感器可以通过硅的体刻蚀来制作一种具有低热导率的薄膜。MEMS热电堆径向安装在薄膜上。当芯片暴露在红外辐射下时,热电堆测量薄膜中心和外围之间的温差。

  除了已有的市场之外,MEMS还在几个有希望的领域得到应用。有几家公司有意投资于MEMS研发。总部位于加州的集成微机械公司(integratedmicromachines Inc.)开发了超小型硅微继电器和微型开关。它们被用于高端工业应用。

  德州仪器公司正在使用微机械元件制造平板显示器。桑迪亚国家实验室演说家和其他机构的研究人员正在努力开发微型发动机的机会。

  研究和开发的重点也正在转向大型阵列或MEMS传感器网络,而不仅仅是单个MEMS器件。随着计算机辅助设计工具和软件的渗透,MEMS器件的设计软件市场也得到了发展。例如,Coventor提供了MEMS设计软件,可以在三维空间中提供MEMS器件的精确模型。

  MEMS的关键技术驱动因素

  成本:最初采用MEMS技术的主要驱动因素是成本。MEMS技术具有降低成本的巨大潜力,因为它可以很容易批量制造。例如,模拟设备公司的制造方法已经标准化,每年能运送数百万个加速计。与传统的传感器制造相比,该工艺流程简化,且所需的劳动力更少。

  多用户MEMS工艺(MUMPS)是一种标准化的表面微机械加工技术,它是利用MEMSCAP中的多晶硅来制造MEMS器件的最廉价的制造技术之一。

  硅是制造MEMS器件的主要材料,它可以使MEMS制造非常经济高效,因此利润非常可观。

  灵敏度提高:MEMS传感器比传统传感器更敏感。这是MEMS传感器优于传统传感器的主要原因,尤其是在高精度和高精度的应用中。

  小尺寸优势:紧凑是电子或机械设备市场的主流趋势。MEMS技术提供了在小面积内填充更多MEMS组件的能力,这可以降低特定产品的整体尺寸。具有多种功能的MEMS组件可以增强产品的能力,例如工业机器人。

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  MEMS发展的主要技术路障

  MEMS技术需要大量的初始投资。由于在某些工业自动化应用中实现大规模的体积需求,企业可能不愿意对MEMS进行大规模投资。

  MEMS技术也具有特殊的应用,因此存在着非常少量的标准化MEMS工艺。例如,压力传感器、加速度计、喷墨打印机、显示器和所有其他类型的MEMS都采用不同的工艺模块。因此,在设计、包装、测试和工具开发方面缺乏协同或合作。

  最终,定制工艺在MEMS市场中最为普遍。尽管压力传感器和加速度计标准化工艺的发展正在开辟新的可能性,但高水平的知识产权阻碍了新MEMS器件的标准化。

  封装技术仍然是MEMS传感器成功商业化的核心技术障碍。随着MEMS技术的应用日益特殊,MEMS器件的封装对于特定应用的封装将是一个重大挑战。

  MEMS传感器渗入广泛应用,推动工业自动化发展

  工业自动化是一个成熟的市场,有着成熟的流程。它也比大宗商品型传感器的更高的体积市场对价格敏感;而且大多数工艺都是一次性投资。

  工业自动化目前并不倾向于成为基于MEMS的传感器和执行器的大容量市场。由于MEMS器件的制造需要大量的初始投资,因此可以将精力集中在应用领域,因为在这些领域,如消费电子等需求量较大,以平衡投资成本。

  因此,寻求大批量应用的MEMS公司可能倾向于不专注于工业自动化,因为它可能无法产生某些其他细分市场的产量。

  然而,工业自动化领域可以为MEMS开发人员和供应商提供机会,以创造和提供更高价值的基于MEMS的传感器和驱动装置,与用于更高价格敏感、更高容量应用的MEMS设备相比,这些传感器和驱动装置的价格可能更高。

  MEMS传感器的压力、流量、加速度/振动/倾斜、角速度等参数在一定程度上影响着工业自动化技术领域。

  目前,基于MEMS的传感器技术在这一领域的渗透往往局限于过程监控应用、工业安全、机械监控,在装配线制造应用中也有一定程度的应用。

  然而,随着工业领域向智能化、分布式以及无线监控方向发展,MEMS技术在这一领域可能发挥着越来越重要的作用。

  MEMS支持的小型化和微机电一体化的趋势正在推动工业应用的组件、设备、系统和子系统的发展。然而,集中研究和发展努力,解决各种技术和科学问题,将有助于在其他领域的转弯,并推动未来几年工业自动化的发展。

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