创新的传感器技术——MEMS

微系统是六十年代开始在实验室里研究的结果,然后转入工业领域。四十年后的今天,我们每天都在不知不觉中与这项技术的产品进行互动。

  电子信息时代,无论是工业应用还是消费应用,主要都是朝着嵌入式的方向发展,因此低成本、小型、电池供电和多功能的解决方案是未来电子应用发展的主流。

  这种类型的解决方案需要一种新的人与电子设备之间的接口模式,这种模式显然更接近人类的通信模式,而不是机器的通信模式。这种需求不是源自“想将机器带入人类通信水平”,而是源自我们强烈需要小型化,以及需要解决多应用下,信息高复杂性下的兼容性需求。

  在这种微电子应用技术革新的情况下,传感器和执行器作为基本部件,在连接信息的物理性质和机器中以逻辑形式表示的抽象信息方面发挥着非常重要的作用。微系统就是对这种创新需求的技术回答。

  微系统是六十年代开始在实验室里研究的结果,然后转入工业领域。

  四十年后的今天,我们每天都在不知不觉中与这项技术的产品进行互动。MEMS(微机电系统)器件,如加速度计、陀螺仪等,在电子行业的各个领域都有很多应用,既有成熟的,也有新兴的;MEMS压力传感器应用于汽车领域/消费电子领域;MEMS在打印机头领域应用广泛,在视频投影仪中应用的微镜领域占主导地位等等。

  MEMS——创新的传感器技术

  传感器在经过多年与自动化世界密切相关的发展之后,近年来已经在其他领域的广泛应用中扮演了创新技术的角色。

  例如,通信世界和整个消费领域都是吸引创新传感器技术的的应用领域。专注于创新传感器技术的公司IST,已经使其传感器更高效,而且比过去更加通用和小型化。

  在过去的二十年里,传感器技术的发展是非常迅速的,但只是在最近几年才将最创新的技术发挥出来。越来越明显的嵌入式实现应用的趋势,推动了学术界和工业界研究在传感领域的创新解决方案。智能传感器和基于MEMS技术的传感器是最有趣的,因为除了提高性能,它们还大大扩展了应用领域。

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  除了经典的方法(计数、间接、插值等),先进的传感器技术,特别是所谓的自适应技术,允许创建具有物理世界接口的应用,能够支持特别困难的功能条件,而不会显着影响最终应用的成本和尺寸。

  另一种非常有趣的传感器技术是射频或无线技术。其中一个解决方案是基于表面声波的。这些设备除了能够通过传输数字(ID号)来识别自己外,还能够传输物理测量值(温度、压力、湿度、加速度等),而不需要电源。该传感器由一个Saw(表面声波)应答器和一个无线电收发器组成。Saw收发器接收射频脉冲,并以射频信号被动响应。Saw传感器的响应方式(振幅、频率、相位和延迟)与被询问时进行的测量直接相关。

  传感器创新的另一个方面是网络管理。特别是无线网络管理受到传感器和微控制器制造商的关注,因为这两种设备都需要在其内部集成这一功能,从而使传感器在工业和消费领域得到广泛的应用。

  MEMS——一个智能而完整的微机械

  多年来,MEMS一直处于小众应用领域。但经过20年在大学和工业研究实验室的发展,现在微电子机械系统与新一代传感器一起,代表了对系统功能的完美补充,越来越多地嵌入到自然界中,并接近用户的操作模式。

  Mems技术可以将机械元件与电子电路集成在一个部件中,用于信号控制和处理。通过利用硅的优良物理特性(更坚固,具有更好的热特性,其重量相当于钢的三分之一),除了各种微致动器外,还可以制造用于检测机械量的微传感器:压力、振动、线性和角度加速度等。

  此外,硅实现了将这些量转化为模拟或数字数据的功能,这些数据可以很容易地被复杂的电子系统解释。所有的设备都装在一个微小的封装中:一个智能而完整的微机械。

  Mems器件现在已经达到了必要的技术成熟度,证明了多种应用的合理性,其中许多应用在电子的各个领域都是新兴的、创新的。

  Mems技术可以同时利用硅的电气和机械特性,因此,除了现在已经整合的IT、工业和汽车应用外,越来越多地被广泛的消费电子应用所采用。测量或检测运动(振动、倾斜度、加速度)可以使设备更容易使用,并为电子游戏等应用提供新的真实性和互动性。

  最近,基于Mems的应用不断扩大,主要原因是Mems传感器的成本下降,这也得益于8英寸硅片生产的转变。在消费电子领域,Mems传感器使创建更直观、更友好的人机界面成为可能。这些可能性,应用于游戏遥控器或手机、播放器和手持电脑等消费类产品,可以在低成本和深度嵌入式设备中实现以前难以想象的控制和交互功能。

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  MEMS的潜力和应用

  Mems提供的技术创新潜力不仅可以获得新的概念产品,而且还可以将机器和用户之间的互动模式付诸实践,而这些模式到目前为止只在计算密集型技术中找到了解决方案,例如声纹识别。

  其次,Mems加速度计可以让你通过运动与机器进行非常有效和直观的互动,而且不会给系统带来过多的计算负荷。

  Mems传感器还被应用于数码相机中,在拍照时对不需要的动作进行补偿和稳定。

  在新兴的玩具市场,加速度计和陀螺仪感知运动,使玩具知道自己在空间中的位置,然后采取相应的行动。

  在IT等附加值较高的应用中,Mems传感器有助于保护笔记本电脑中数据的完整性,当笔记本电脑发生自由落体或其他异常运动时,Mems传感器会及时向系统发出停止操作的命令。在硬盘上进行读写,并将读取硬盘的磁头移动到不损坏存储表面的位置。

  在汽车领域,Mems传感器有很多应用,包括安全气囊传感器、防盗报警和导航系统。在后一种情况下,它们被用于辅助导航系统中,在GPS信号暂时缺失的情况下,使用移动和行进距离跟踪来保持正确的定位读数。

  在工业领域,加速度计正忙于检测洗衣机、洗碗机和其他新型电器中的振动,以提醒用户注意不平衡的负载,并在故障发生前检测机械部件的过度磨损。

  对于安全系统,应用涉及基于Mems加速度计的防盗设备,例如保护汽车、公文包、笔记本电脑和任何可能被偷走的设备。

  作者:Erik Emanuelli

  编译:枭枭

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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。