虹科小課堂|帶你了解MEMS傳感器

01

引言

MEMS，全稱(chēng)Micro Electromechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。

MEMS最初大量用于汽車(chē)安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點(diǎn)，對(duì)小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢(shì)迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。

02

MEMS傳感器的類(lèi)別：

MEMS 傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來(lái)的新型傳感器。它具有體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高、技術(shù)附加值高, 適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。MEMS 傳感器和IC芯片最大的區(qū)別在于：MEMS 是可動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用微納加工技術(shù)同時(shí)加工出機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路系統(tǒng)。如圖1中所示，是目前市場(chǎng)中常見(jiàn)的一些MEMS傳感器，并且隨著MEMS傳感器的不斷發(fā)展，還出現(xiàn)了許多從前沒(méi)有的MEMS傳感器，如流體黏度傳感器，密度傳感器等等。

03

MEMS傳感器的市場(chǎng)規(guī)模與發(fā)展

自2015年開(kāi)始MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步提升[2]，產(chǎn)品需求大幅增加，在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和智能終端領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，傳感器產(chǎn)品需求大幅增加，重心逐漸轉(zhuǎn)向技術(shù)含量較高的MEMS傳感器領(lǐng)域。在 MEMS 傳感器應(yīng)用前景良好和國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程提速背景下，未來(lái)我國(guó) MEMS 傳感器市場(chǎng)前景廣闊。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院結(jié)合之前的發(fā)展數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)幾年我國(guó)MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模年均增速保持在15%左右，預(yù)測(cè)到2025 年我國(guó) MEMS 傳感器市場(chǎng)將達(dá)到 1488.6 億元[3]。

圖2：2015—2020年MEMS傳感器市場(chǎng)規(guī)模[2]

圖3：2020-2025年中國(guó)MEMS傳感器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)[3]

04

常見(jiàn)的MEMS傳感器

以手機(jī)和汽車(chē)為例，根據(jù)博世的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表示，2021年，一部5G手機(jī)大概消耗20個(gè)MEMS傳感器，一輛汽車(chē)，大概消耗50個(gè)以上MEMS傳感器，其中加速計(jì)、壓力傳感器、陀螺儀的應(yīng)用合計(jì)占比超過(guò)95%，接下來(lái)，對(duì)這些常見(jiàn)的MEMS傳感器進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹

（1）MEMS壓力傳感器

壓力傳感器作為MEMS的頭號(hào)傳感器，在市場(chǎng)中占有巨大的份額，MEMS壓力傳感器是一種薄膜元件，受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，常常通過(guò)壓阻或者電容的形式將形變轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)過(guò)轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路，輸出與壓力成線性關(guān)系的電流或者電壓信號(hào)。壓阻式和電容式這兩種方法都很流行，在工藝和性能上，壓阻式工藝復(fù)雜，溫度特性較差，電容式除了具有低溫度系數(shù)，零靜態(tài)功耗等優(yōu)勢(shì)，還具有靈敏度高、線性度好、后續(xù)處理電路易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，此外，除了電容式和壓阻式外，還有諧振式壓力傳感器等其他工作原理的MEMS壓力傳感器。MEMS壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域包括:汽車(chē)、醫(yī)療和工業(yè)等，典型的應(yīng)用比如：汽車(chē)的胎壓監(jiān)測(cè)

（2）MEMS加速度傳感器

加速度傳感器的原理隨其應(yīng)用而不同，有壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。以壓阻式MEMS加速度傳感器為例，其制作方法，是通過(guò)注入、推進(jìn)、氧化的創(chuàng)新工藝來(lái)制作壓敏電阻；采用KHO各向異性深腐蝕來(lái)形成質(zhì)量塊；并使用AES來(lái)釋放梁和質(zhì)量塊；最后利用鍵合工藝來(lái)得到所需的“三明治”結(jié)構(gòu)[4]。

圖4：MEMS壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)[4]

（3）MEMS陀螺儀

微機(jī)械陀螺儀的設(shè)計(jì)和工作原理可能各種各樣，但是公開(kāi)的微機(jī)械陀螺儀均采用振動(dòng)物體傳感角速度的概念。利用振動(dòng)來(lái)誘導(dǎo)和探測(cè)科里奧利力而設(shè)計(jì)的微機(jī)械陀螺儀沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件、不需要軸承，已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)，一般的微機(jī)械陀螺儀由梳子結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部分和電容板形狀的傳感部分組成，有的設(shè)計(jì)還帶有去驅(qū)動(dòng)和傳感耦合的結(jié)構(gòu)。MEMS陀螺儀常用于汽車(chē)旋轉(zhuǎn)速度的測(cè)量，與加速度傳感器一起組成主動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖5：MEMS陀螺儀[5]

（4）MEMS密粘度傳感器

粘密度作為流體的重要特性，描述了流體的流動(dòng)特性和質(zhì)量關(guān)系，目前市面上的粘密度計(jì)，主要針對(duì)的應(yīng)用領(lǐng)域包括：實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，流體粘度、密度、濃度、質(zhì)量監(jiān)測(cè)/測(cè)量等，比較典型的包括：燃油質(zhì)量監(jiān)測(cè)，食品包裝氣監(jiān)測(cè)，焊接氣體濃度監(jiān)測(cè)，醫(yī)藥生產(chǎn)鏈的材料流體密度、濃度監(jiān)測(cè)等等，與傳統(tǒng)的粘度測(cè)量方法（毛細(xì)管法、落球法和旋轉(zhuǎn)法等）和密度測(cè)量方法（氣量計(jì)、比重瓶和浮力法等）不同，MEMS粘密度傳感器常用的測(cè)量原理是采用諧振式的微懸臂梁結(jié)構(gòu)，通過(guò)讓流體與懸臂之間發(fā)生諧振，利用諧振頻率與流體粘密度間關(guān)系，結(jié)合轉(zhuǎn)換模塊，將流體的粘密度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。（圖為MEMS粘密度傳感器的芯片）

得益于核心部件的小巧精致，MEMS粘密度傳感器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成。圖為虹科液體粘密度傳感器DLO-M1

圖7：虹科液體粘密度傳感器DLO-M1[7]

參考文獻(xiàn)：

[1]王淑華. MEMS傳感器現(xiàn)狀及應(yīng)用[J]. 微納電子技術(shù),2011,48(08):516-522.

[2]韓允. MEMS傳感器的發(fā)展概況[J]. 電子產(chǎn)品世界,2019,26(01):4-8.

[3] 本土傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與建議 作者：李晨光

[4] MEMS加速度傳感器的原理與構(gòu)造介紹 傳感器技術(shù)

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