一文深度了解MEMS传感器的应用场景

2017-2-27  摘自传感器技术

      MEMS传感器作为获取信息的关键器件，对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用，已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。

MEMS传感器典型应用如下图：

     随着电子技术的发展，MEMS的应用领域越来越广泛，由最早的工业、军用航空应用走向普通的民用和消费市场。在智能手机上，MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用；在汽车上，MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统（TPMS）和车辆稳定性控制增强车辆的性能；医疗领域，通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵，并使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式；在可穿戴应用中，MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。

汽车电子MEMS传感器的应用

      汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者，MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定（比如要求所有汽车采用TPMS系统）和汽车智慧化的发展趋势。全球平均每辆汽车包含10個传感器，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，车越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽车上就有70多只MEMS。MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬挂（ECS）、电动手刹（EPB）、斜坡起动辅助（HAS）、胎压监控（EPMS）、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。

     目前，压力传感器、加速度计、陀螺仪与流量传感器四类器件合计占汽车MEMS系统的99%。

 MEMS压力传感器

      MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器，  至少18个汽车应用领域促进压力传感器的增长，包括：轮胎压力，电子稳定控制系统中的刹车传感器，侧面气囊，与日益严格的排放标准相关的引擎控制，大气压力与废气再循环压力。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。

MEMS加速度计

      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

      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。

MEMS流量传感器

      MEMS流量传感器是基于传统的热膜片风力计原理借助先进的薄膜片技术，将性能稳定的薄膜片电阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面缩短了传感器响应时间，另一方面由于采用了前后桥电路，可以判断出流体流向，从而进一步测量出回流流量。

     为了防止温度变化对测量精度的影响，传感器中采用了两片热敏电阻分别对前后桥进行了温度补偿。流量传感器主要用于检测发动机的空气进气量和燃油喷射量，从而将空燃比控制在最佳值附近，此外流量传感器还广泛利用于排气再循环、防滑驱动、刹车防抱死系统以及电控悬架等许多方面。 

     按销售额计算，最大的五种汽车MEMS应用按降序排名是：ESC，安全气囊，进气歧管绝对压力（MAP），TPMS与翻滚探测。

消费类电子MEMS传感器的应用 

      随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现，特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展，消费电子已经取代汽车领域成为MEMS最大的应用市场。其中手机和平板电脑中的MEMS传感器几乎占了消费类电子MEMS传感器类市场的90%。

     MEMS传感器在消费电子领域的应用包括运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等等，这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验。

     终端设备内的硬盘驱动器坠落保护 是MEMS运动传感器在消费电子市场的具有重要历史意义的代表性应用之一。手提电脑内的三轴加速计可以监测加速度，因为具有特定的功能和数据处理电路，它能够检测到硬盘驱动器的意外摔落事故，并及时命令读写头缩回到安全位置，以防电脑最终摔落在地板上时损坏读写头。

手机 

      是MEMS在消费类产品中最大的应用领域。包含MEMS麦克风、3D加速器、RF被动与主动组件、相机稳定与GPS的陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等，应用最多的传感器是加速计、陀螺仪与MEMS硅麦克风，其中加速度计是该市场中第一大应用产品。而近期陀螺仪增长迅速，已经成为继加速度计后的第二大应用产品。

     MEMS麦克风销售额2015年已经突破10亿美元，美国IHS全球产业研究报告表示全球MEMS麦克风市场仍将连续5年维持18%的年复合成长率（CAGR）。还有一些MEMS传感器或刚进入市场的，例如磁力计、指纹传感器、环境传感器、MEMS手机摄像头等。而MEMS传感器在手机应用的数量规模以及多样性，也仍不断在快速成长当中。

     苹果(Apple)公司于2007年首度将微机电系统(MEMS)加速度计应用在iPhone中，开启手机产业的传感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、气压计、指纹传感器、接近与环境光传感器、MEMS麦克风和Image Sensor等MEMS传感器。截至目前为止，Apple公司已拥有超过三百五十篇以上与传感器相关的发明专利，而申请内容包括触控、影像、运动、振动感测、数据运算、掉落感知及亮度感知等等。

游戏机  

     是运动跟踪和手势识别应用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戏机为例， 采用了MEMS三轴加速度计，能够捕捉到玩家任何细微的动作，使玩家陶醉于真实的游戏体验，通过不同的动作融入到游戏中，例如，模仿一场真实的网球赛、一场引人入胜高尔夫球赛、一场紧张的拳击赛或轻松的钓鱼比赛的动作。

     高能效低价微型MEMS传感器彻底改变了人们与移动终端设备的互动方式。在各类移动终端、游戏机、遥控器等设备上，MEMS传感器可以实现先进的功能，令人心动的用户界面，用户的手势、碰摸就能够激活相应的功能。为消费电子产品的“”升级、换代”划成一个里程碑式的注脚。

智能穿戴装置  

      是目前最热门的新兴产品，其所使用的感测组件，无论在尺寸、耗电量、感测灵敏度或是组件可靠度上，通常皆须面对更严苛的要求。最成功的组件案例是惯性传感器与MEMS麦克风，包括Google、Apple、微软(Microsoft)、摩托罗拉(Motorola)等多家知名大厂，皆已将此两组件整合在自家的穿戴装置产品内，成为其传感器标准配备。

     智能穿戴装置两大功能项目在于量化生活(Quantified Self)及随身环境安全监测。其所需感测功能大致可包括活动感知、影像感测、环境感测及生理感测四大类别。MEMS组件在穿戴装置上的应用诉求，是使系统达到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。

     健身和健康监测就是MEMS传感器在智能穿戴装置中的代表性的应用。计步表或计步器是利用三轴MEMS加速度传感器，在特定的情况下，计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及在身体运动过程中所消耗掉的热量。

     航空航天设备上MEMS传感器的应用

MEMS传感器应用在航空航天领域，要求适应在不同的空间环境，包括:真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、行星大气、磁场和引力场等，以及航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的诱导环境，例如，轨道控制推力器点火和太阳电池翼伸展引起的振动、冲击环境；航天器上的磁性材料和电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场；航天器上有机材料逸出物沉积在其他部位造成的分子污染等。

       因此，航空航天传感器主要有状态传感器，环境传感器之分，前者包括各种活动机件的即时位置传感器，如襟，副翼位置，喷口大小，油门位置，减速板位置，起落架收放位置等，飞机状态传感器，如迎角，侧滑角传感器，飞机姿态传感器等，各种参数如液压，油压，发动机振动量，滑油金属屑，各种消耗品如油料剩余量，消耗速度等，还有结冰传感器，火警传感器，极限传感器，过载传感器，生命传感器以及各种多余度系统的自动转换传感器。

      环境传感器主要有温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、压力传感器、流量传感器等。

     MEMS传感器在航空航天领域中主要有五种用途:

      ①提供有关航天器的工作信息，起故障诊断的作用;

      ②判断各分系统间工作的协调性，验证设计方案;

      ③提供全系统自检所需信息，给指挥员决策提供依据;

      ④提供各分系统、整机内部检测参数，验证设计的正确性。

      ⑤监测飞行器内外部的环境，为飞行员航天员提供所需的生存条件，保障正常飞行参数。

MEMS传感器构成的电子设备 

      MEMS传感器在飞行器中的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。机载分布式大气数据计算机，由全压一静压一攻角为一体的多功能微型大气数据探头(或称组合式空速管)、微型压力传感器(静压、差压及动压)以及信号处理单元直接组成，并封装在壳体内，形成一个微机电系统。

MEMS惯性导航系统 

      微型惯性导航系统集微陀螺、微加速度计及其信号处理单元为一体，该系统以硅材料为主，用MEMS加工工艺制造而成，其体积和质量比常规惯性导航系统至少下降2一3个数量级。

     采用MEMS技术制造的微型惯性测量单元(MIMU)，没有转动的部件，在寿命、可靠性、成本、体积和质量等方面都要大大优于常规的惯性仪表。所生产出来的标准化的、高性能航天器姿态测量仪器性能更好，价格更便宜，而且在航空航天平台均能使用。采用MIMU器件可使装置的重量大大减轻。

MEMS加速度传感器 

       加速度传感器在航空航天应用在姿态航向基准系统;捷联惯性测量单元;飞机导航系统;飞行控制系统;包括颤振测试在内的飞行期间结构测试;健康系统测试;稳定性测试;地面振动测试(风洞试验);模态测试;发动机控制系统、制导系统等。

MEMS化学传感器

      这种类似于电子鼻的高温传感器阵列是用于检测和控制航空和汽车发动机的排放物质。通过分析电子鼻产生的信号确定排放系统废气的成分。

MEMS压力传感器 

      航空航天传感器在飞行中、飞行试验、发动机测试验、结构强度试验、风洞试验，以及在设备的制造生产过程中应用十分普遍。压力测量的特点是;被测压力种类多、涉及范围广，测压点多，要求测量精度高。

     航天航空集当代先进制造技术、信息技术和材料技术于一身，对传感器的要求越来越高，MEMS传感器发展方向是多功能化、小型化、智能化、集成化，随着产品可靠性进一步提高和价格降低，制作技术发展的不断成熟和完善，MEMS传感器在航空航天领域的应用将会在更广泛范围取代传统传感器。

     生物医疗行业MEMS传感器的应用

MEMS传感器技术的突破也为医疗应用带来前所未有的便利性和体验。随着人口的老龄化，人们的医疗保健问题变的空前重要。人们的医疗保健问题变的空前重要。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都在不断发展，系统集成商们需要创新的技术来迅速提高产品性能、降低产品成本、缩小产品尺寸。

      生物MEMS技术为所有这些领域带来改进了传感和执行功能的微型器件，如加速度传感器、压力传感器、流量传感器以及微泵。

      测压传感器 应用在医学中被称为医用测压传感器，它们都必须高度精确并紧凑包装，以方便携带，特别是器械要与病人直接连接时。

      现在将小型测压传感器应用到容易发生人为错误的领域，如：用于给药的输液泵。这种传感器可准确测量输液袋的重量，当液体重量与预先设定值不同时，传感器会立即向连接的设备发出警告信息，并及时跟控制器通信。

      测压传感器的核心部件是箔应变计，采用真空沉积或溅射技术，通过材料的分子键合附着在介电层上，这种技术通常称为薄膜法。理想的应变计应该体积小，成本低，对于负荷方向上的应变极为灵敏，而且不受周围环境温度变化的影响。 

植入式传感器  

      应当体积小，重量轻，并且和身体兼容，同时还要求其功率非常小。更重要的是，它们不能随着时间的推移而衰变。  

      由于这类传感器属于第Ⅲ类医疗器械，因此需要有食品及药物管理局（FDA）的批准才能使用。一般来讲，这类传感器价格非常昂贵，而且需要专家做外科手术进行移植。对功率的要求是植入式传感器正常工作所面临的主要挑战之一。不需要功率就能发挥作用的传感器是最完美的。

压电聚合传感器

      体积小，可靠性高，不需要外部动力而且能长时间持续工作。这类传感器可应用于监视病人活动的心脏起搏器，通过植入式传感器可以实时监测心率变化。举个例子，由于腹部长了一个大动脉瘤，要求切除一部分脆弱的动脉，用人工合成的管状器官来替代。这时，可以在手术的过程中植入一个传感器，用来监视手术部位的压力泄漏。

心脏起搏器  

      每当病人运动时，传感器就会产生一个信号。心脏起搏器接收到这些信号，然后使心脏也相应的博动。如果病人在休息，信号为零，则心脏起搏器会使心脏以正常频率博动，例如大约70次/分钟。传感器能区分出各种活动，例如走路、跑步、或是其他身体活动。传感器的输出和运动量成正比。

MEMS加速度传感器 

      提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。

      通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。

      基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结 果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，保障胎儿和孕妇的健康。

生物传感器  

      对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测，它是由固定化的生物敏感材料做识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）及信号放大装置构成的分析工具。
      在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的一种传感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。药物分析用生物传感器的典型代表产品是 SPR生物传感器，这是一种表面膜共振分析，是实时测定生物分子结合的技术。

      最常见的用于生物传感：基于抗体-抗原的相互作用，核酸相互作用， 酶的相互作用，细胞相互作用，使用仿生材料的相互作用。

      随着医疗技术的发达，越来越多的医疗保健应用使用MEMS器件，并由此带来市场强劲增长！MEMS传感器助力物联网 构建智能世界的美好生活

      万物相连，智能感应。随着通讯技术的高速发展，应用MEMS传感器技术，使所有的智能对象与现实世界进行互动，推动了物联网的发展。

      物联网（IoT）是把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是“物物相连的互联网”。

      从网络结构来看，物联网可分为感知层、网络层和应用层。感知层位于物联网三层结构中的最底层，是构成物联网的核心基础。传感器作为物联网三大层次结构之一的感知层的重要组成部分，将现实世界中的物理量、化学量、生物量等转化成可供处理的数字信号，是实现物联网的基础和前提。

      物联网的大力推进和智能终端的广泛应用，使传感器产品需求大幅增加，并且重心逐渐转向技术含量较高的MEMS传感器领域。MEMS技术在物联网领域应用广泛，覆盖可穿戴设备、智能家居、医疗、工业4.0、智能汽车、智慧城市等多个细分领域。

      人类透过一个由全球数亿人所共有共享的巨型智能网络基础建设，进行全面性的社群交流与信息分享，并且经由链接实体对象及虚拟分析整合，达到无所不在的侦测、识别、控制及服务。

      在无限感测、万物互联的未来世界中，充满着各式各样的智慧技术：无人车辆会自动驾驶、让行车更安全；智慧家电提供便利舒适的生活管家及保全服务；植物工厂精准掌握作物生产过程、解决气候剧变导致的粮荒问题；工业4.0实现安全有效率的人机协作、提升产品良率与质量；远距医疗网络带来更优质便利的医疗服务；智慧电网提升城市能源使用效益、带动经济成长、并减缓全球温室效应等。而对于个人而言，行动及穿戴式装置则将提供无处不在的信息服务及生活照顾。另外，传统的工业应用，例如医疗、导航、军事、航空、地震勘探及制程控制等，利用MEMS感测组件技术形成新型态的工业物联网。

      MEMS技术的传感器，正是以功耗低、精度高、尺寸小的技术特点，来满足万物互联的智能世界，新型MEMS传感器的开发设计和市场投入，使更具丰富多彩的物联网应用成为可能，它推动了我们的生活更加绚丽多彩。

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