MEMS传感器的四大广泛应用领域

随着时间的推移和技术的逐步发展,MEMS所包含的内容正在不断增加,并变得更加丰富。

  MEMS传感器行业是一个新兴的行业,在中国商业化的时间不到10年,而在全球也只有20余年的产业化历程。

  MEMS传感器代表了未来传感器的发展方向,具有体积微小、低功耗、一致性高等特点,可大批量、低成本制造,大大拓宽了传感器的应用领域,为智能设备的发展奠定了重要的技术基础,亦是物联网的重要组成部分。

  目前,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。

  作为获取信息的关键入口,MEMS传感器已在汽车、消费电子、航空航天、生物医学等领域中得到了广泛的应用。而随着时间的推移和技术的逐步发展,MEMS所包含的内容正在不断增加,并变得更加丰富。


  汽车领域

  在20世纪90年代,MEMS首先在汽车工业开始应用,汽车电子被认为是MEMS传感器第一波应用高潮的推动者。

  受益于汽车行业安全规定及信息化、智能化浪潮,MEMS传感器在汽车领域得到飞速发展,其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、斜坡起动辅助、胎压监控、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等。

  根据相关调研数据,目前平均每辆汽车包含10-30个MEMS传感器,而在高档汽车中大约会采用30甚至上百个MEMS传感器。


  MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。

  而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。

  微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。

  消费电子

  随着消费电子的大发展及产品创新不断涌现,该领域已经取代汽车成为MEMS最大的应用市场。

  MEMS传感器在消费电子产品中可用于运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面交互、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等,应用较多的品类为MEMS麦克风、3D加速器、MEMS 射频组件、GPS陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等。多种MEMS传感器的综合应用可增加电子设备的娱乐性及智能性,改善交互性能,大大提升了用户体验。


  在手机拍照功能上,MEMS更是发挥着重要的作用。在MEMS Drive出现之前,手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术),受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术:多轴防抖,则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动,但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷,一直无法在手机上应用。

  凭着微机电在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达,带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS?Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动,依靠精密算法,计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完,你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。


  MEMS传感器在智能手机领域的应用

  (图片来源:Yole Development,民生证券)

  航空航天

  MEMS在航空航天领域主要有状态传感器和环境传感器之分。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时位置等进行监测。环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面进行测量。通过提供有关航天器的工作信息,MEMS传感器起到故障诊断、提供决策依据、保障正常飞行的作用。近期事故频出已全球停飞的波音737MAX飞机,故障主要原因之一是迎角传感器产生读数输出错误,导致了系统不能起到严格的保护作用。小小传感器对航空航天安全的重要性可见一斑。

  生物医疗

  随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展,医疗设备需要迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。MEMS技术使医疗设备可以做到微型化,医疗检测、诊断、手术和治疗过程可以更加便捷、精准,甚至无痛。

  MEMS压力传感器可以检测包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平。MEMS惯性器件最主要用于心脏病治疗设备。MEMS图像传感器普遍应用于包括CT扫描、内窥镜在内的医学成像设备中。MEMS技术在传感和执行功能上的优势,使其在医疗健康行业的应用广泛增长。

  此外,MEMS技术在国防、工业、能源及环保等领域也有广泛应用,为各行各业提供自动化、智能化的数据接口,赋能智能社会。根据相关市场调研数据,全球MEMS市场结构中消费电子领域占比最高,增长空间最大的是生物医疗领域。


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