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知識(shí)常備——MEMS傳感器系統(tǒng)介紹

日期: 2019-03-05
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MEMS傳感器技術(shù)介紹

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)即微機(jī)電系統(tǒng),也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等,指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置,可批量制作,將微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、甚至接口、通信和電源等集為一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝和材料,通過(guò)微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械,并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體。受益于普通傳感器無(wú)法企及的IC硅片加工批量化生產(chǎn)帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì),MEMS同時(shí)又具備普通傳感器無(wú)法具備的微型化和高集成度。

MEMS其工作原理是外部環(huán)境物理、化學(xué)和生物等信號(hào)輸入,通過(guò)微傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過(guò)信號(hào)處理(模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào))后,由微執(zhí)行器執(zhí)行動(dòng)作,達(dá)到與外部環(huán)境“互動(dòng)”的功能。如圖1所示。

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圖1 MEMS工作原理

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傳統(tǒng)麥克風(fēng)傳感器與MEMS麥克風(fēng)傳感器對(duì)比如圖2所示。

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圖2 傳統(tǒng)麥克風(fēng)傳感器(左)與MEMS麥克風(fēng)傳感器(右)

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MEMS傳感器品種繁多,分類方法也很多。按其工作原理,可分為物理型、化學(xué)型和生物型三類。每種MEMS傳感器又有多種細(xì)分方法,按檢測(cè)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方式劃分,有角振動(dòng)式和線振動(dòng)式加速度計(jì)。按檢測(cè)質(zhì)量支承方式劃分,有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式。按信號(hào)檢測(cè)方式劃分,有電容式、電阻式和隧道電流式。按控制方式劃分有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)式。常見(jiàn)的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機(jī)械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風(fēng)等。

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MEMS慣性傳感器介紹

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MEMS慣性傳感器主要是指MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀。MEMS慣性傳感器在1990年代開(kāi)始規(guī)模應(yīng)用在汽車工業(yè)和國(guó)防工業(yè),20世紀(jì)初開(kāi)始應(yīng)用于手機(jī)等消費(fèi)電子領(lǐng)域,物聯(lián)網(wǎng)有望引領(lǐng)下一波增長(zhǎng)浪潮(如圖3所示)。

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圖3

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MEMS陀螺儀和MEMS加速度計(jì),均由一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片組成,二顆芯片封裝一起構(gòu)成了陀螺儀或加速度計(jì),如圖4所示。

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圖4 MEMS陀螺儀(加速計(jì))內(nèi)部構(gòu)造

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集成若干軸加速度計(jì)和陀螺儀為一體,可構(gòu)成IMU(Inertial Measurement Unit慣性測(cè)量單元),IMU可用于測(cè)量物體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度。ST的九軸MEMS IMU傳感器(三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì))、InvenSense的九軸IMU傳感器(三軸陀螺儀+三軸加速度計(jì)),如圖5所示。

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圖5 ST的IMU傳感器(左)與InvenSense IMU傳感器(右)

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低精度的MEMS慣性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域以消費(fèi)電子為代表,如手機(jī)、游戲機(jī)、無(wú)線鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)、硬盤保護(hù)、計(jì)步器、防盜系統(tǒng)、GSP導(dǎo)航、老人健康檢測(cè)、玩具、玩具級(jí)無(wú)人機(jī)、智能運(yùn)動(dòng)器械等產(chǎn)品中,基本功能是測(cè)量物體的直線加速度、傾斜角度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、振動(dòng)頻率和力度等,這些基本的物理信號(hào)通過(guò)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),可以衍生出各種各樣的功能。主要供應(yīng)商為ST、Bosch、Invensense(TDK)、Mcube、蘇州明皓、Kionix(Rohm)等。?

中精度的MEMS慣性傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域以汽車為代表,主要功能為:安全氣囊觸發(fā)、電子穩(wěn)定系統(tǒng)、防側(cè)翻、輪胎防盜、TPMS(胎壓監(jiān)控)、GPS輔助導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛等。根據(jù)功能不同規(guī)格不同,如安全氣囊觸發(fā)的加速度計(jì)量程在±70g~±100g,電子穩(wěn)定系統(tǒng)、防側(cè)翻等的加速度計(jì)量程~±2g,零偏溫漂在±0.1~±1mg/℃,電子穩(wěn)定系統(tǒng)的陀螺儀的量程在±200°/s~±500°/s,零偏穩(wěn)定性(常溫Allen)在2~15°/h,另外還有精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化、大型醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、工廠機(jī)械、工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)、儀器儀表、軌道交通等應(yīng)用領(lǐng)域。主要供應(yīng)商為ADI、Bosch、松下、精工、Murata、Silicon sensing、Infineon、MEMSIC等。

高精度的MEMS慣性傳感器的應(yīng)用以航天和國(guó)防領(lǐng)域?yàn)榇?,包括?dǎo)彈導(dǎo)引頭、通信天線指向控制、智能炮彈、光學(xué)瞄準(zhǔn)穩(wěn)定系統(tǒng)、水下物體導(dǎo)航、飛機(jī)姿態(tài)監(jiān)控、戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人等,其性能指標(biāo)要求全工作溫度區(qū)域得到保證,其中小量程加速度計(jì)的量程在10~100g,零偏穩(wěn)定性<10mg;大部分陀螺儀的量程在100°/s~500°/s,零偏穩(wěn)定性(常溫Allen)在0.2°/h~1°/h。主要供應(yīng)商為Honeywell、BEI、Sensonor、Colibrys、Endevco、Systron Donner、Sagem等。

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MEMS——?dú)鈮簜鞲衅?/span>

ROHM面向市場(chǎng)日益擴(kuò)大的智能手機(jī)、可穿戴式設(shè)備和活動(dòng)追蹤器等領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)出可檢測(cè)氣壓信息、用于高度和高低差檢測(cè)的氣壓傳感器“BM1383GLV”,并已于2015年4月開(kāi)始投入量產(chǎn)。該產(chǎn)品融入了ROHM多年積累的傳感器開(kāi)發(fā)技術(shù)訣竅,并搭載高精度的檢測(cè)用MEMS和低功耗高精度的A/D轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高級(jí)別的相對(duì)高度精度±20cm(相對(duì)氣壓精度±0.024hPa)。(圖6)另外,傳統(tǒng)氣壓傳感器存在著低溫時(shí)的檢測(cè)精度很難提高的課題,而ROHM利用獨(dú)創(chuàng)的校正算法,在IC內(nèi)部進(jìn)行溫度校正,實(shí)現(xiàn)了低溫下的高精度氣壓檢測(cè)。(圖7)同時(shí),無(wú)需再給外部的微控制器搭載溫度校正功能,這非常有助于減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān),成功實(shí)現(xiàn)了傳感模塊和運(yùn)算模塊的小型化。從而作為內(nèi)置溫度校正功能的氣壓傳感器實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最小級(jí)別(2.5mm&TImes;2.5mm&TImes;0.95mm)的封裝尺寸。

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知識(shí)常備——MEMS傳感器系統(tǒng)介紹

圖6:氣壓檢測(cè)結(jié)果例? ? ? ? ? ? ? ? 圖7:溫度依存氣壓檢測(cè)結(jié)果例

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隨著氣壓傳感器的用途越來(lái)越廣泛,對(duì)更高精度的氣壓檢測(cè)和高度檢測(cè)功能的需求越來(lái)越大;同時(shí),隨著智能手機(jī)和可穿戴式設(shè)備的小型化、高性能化發(fā)展,對(duì)傳感器的小型化要求也越來(lái)越強(qiáng)烈。為滿足這些需求,ROHM預(yù)計(jì)于2016年4月份開(kāi)始量產(chǎn)“BM1385GLV”。該產(chǎn)品繼承了已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)的BM1383GLV的特點(diǎn),并通過(guò)優(yōu)化氣壓檢測(cè)用MEMS和控制電路,使面積比ROHM以往產(chǎn)品再縮減36%,是世界最小封裝(2.0mm&TImes;2.0mm&TImes;1.0mm)的氣壓傳感器。(圖8)(截至2015年7月14日ROHM調(diào)查數(shù)據(jù))

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圖8:PKG尺寸示意圖


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