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如果你不知道MEMS传感器都用在哪 读这篇文章就对了

2017-10-30  BGND


“滴”一声,手机扫一扫,车锁自动打开,随着共享单车在各大城市的“站稳脚跟”,这样的场景已愈来愈被大家熟悉。不过,较少人会注意到,有的共享单车开锁速度比以前快了,使用者等待的时间正在变短。


这么一个小小却关键的变化,靠的就是窄带物联网的“神通”,基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)是物联网的一个重要分支。随着各式物联网(IoT)应用开枝散叶,微机电系统(MEMS)传感器技术也不断精进。


传感器是物联网网络架构的基础设备,居于产业链的最底层。我国目前传感器设备大多为进口,依赖大量进口传感设备营造出的繁荣景象只是暂时的,背后的安全隐患难以消除。就像业界当年为克服对进口芯片的依赖而奋起研究“中国芯”一样,现在传感器产业也亟待一场“中国制造”的洗礼。在我国的传感器短板中,又以MEMS(微机电系统)传感器为最大缺口。


下面随小编一起来看看,MEMS传感器有哪些应用领域,大家的机会又在哪。


MEMS简介


虽然大部分人对于MEMS(Microelectromechanical systems,微机电系统/微机械/微系统)还是感到很陌生,但是其实MEMS在我们生产,甚至生活中早已无处不在了,智能手机,健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备,部分早期和几乎所有近期电子产品都应用了MEMS器件。


MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等,是微型传感器的主力军,正在逐渐取代传统机械传感器,在各个领域几乎都有研究,不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。


常见产品有压力传感器,加速度计,陀螺,静电致动光投影显示器,DNA扩增微系统,催化传感器。

 

8英寸硅片上的MEMS芯片(5mm X 5mm)示意图

 

从硅原料到硅片过程。硅片上的重复单元可称为芯片(chip 或die)。


MEMS应用领域详解


1.通信/移动设备


 

智能手机简化示意图


在智能手机中,iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度计(InvenSense MPU-6700)、三轴电子罗盘(AKM AK8963C)、三轴加速度计(Bosch Sensortec BMA280),磁力计,大气压力计(Bosch Sensortec BMP280)、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、距离传感器,环境光传感器(来自AMS的TSL2581 )和MEMS麦克风。


iphone 6s与之类似,稍微多一些MEMS器件,例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。 MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分,将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。


以智能手机为主的移动设备中,应用了大量传感器以增加其智能性,提高用户体验。这些传感器并非手机等移动/通信设备独有,在本文以及后续文章其他地方所介绍的加速度、化学元素、人体感官传感器等可以了解相关信息,在此不赘叙。此处主要介绍通信中较为特别的MEMS器件,主要为与射频相关MEMS器件。


通信系统中,大量不同频率的频带(例如不同国家,不同公司间使用不同的频率,2G,3G,LTE,CDMD以及蓝牙,wifi等等不同技术使用不同的通信频率)被使用以完成通讯功能,而这些频带的使用离不开频率的产生。


在此值得一提的事,安华高Avago(前安捷伦半导体事业部)卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器(FBAR)。也是前段时间天津大学在美国被抓的zhang hao研究的东西。得益于AlN氮化铝压电材料的沉积技术的巨大进步,AlN FBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通过固体声波在上下表面反射形成谐振腔。

 

FBAR示意图,压电薄膜悬空在腔体至上

 

SMR示意图

(非悬空结构,采用Bragg reflector布拉格反射层)

 

如果所示,其中的红色线条表示震动幅度。固体声波在垂直方向发生反射,从而将能量集中于中间橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面,接近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面,无法达到完美反射,因此部分能量向下泄露。

 


实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振,如果水平方向有谐振则会形成杂波。

 


上图所示为消除杂波前后等效导纳(即阻抗倒数,或者简单理解为电阻值倒数)。消除杂波后其特性曲线更平滑,效率更高,损耗更小,所形成的滤波器在同频带内的纹波更小。

 


图示为若干FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒对比,该滤波器比米粒还要小上许多。


2.可穿戴/植入式领域

 

用户与物联网


可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分,主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式(目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平)直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注,最感兴趣的话题了。


大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感,这些器件与用户中间经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触,提升消费者科技感,更受年轻用户喜爱,例子可见Fitbit等健身手环。


该领域最重要的主要有三大块:消费、健康及工业,我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环,还有智能手表等。健康领域,即医疗领域,主要包括诊断,治疗,监测和护理。


传统大型医疗器械优势明显,精度高,但价格昂贵,普及难度较大,且一般一台设备只完成单一功能。相比之下,某些医疗目标可以通过MEMS技术,利用其体积小的优势,深入接触测量目标,在达到一定的精度下,降低成本,完成多重功能的整合。


个人认为,MEMS医疗前景广阔,不过离成熟运用还有不短的距离,尤其考虑到技术难度,可靠性,人体安全等。

 

MEMS实现人体感官功能


可穿戴设备中最著名,流行的便数苹果手表了,其实苹果手表和苹果手表结构已经非常相似了,处理器、存储单元、通信单元、(MEMS)传感器单元等,因此对此不在赘叙。

 

苹果手表示意图


3.投影仪


投影仪所采用的MEMS微镜如图所示。其中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。


每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑,通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度,将入射光线向特定角度反射。


大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现,一种简单的方式便是通过加热使其热膨胀,当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时,可以使它们产生不同形变,从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式,即通入电来产生静电力来倾斜微镜。

 

微镜的SEM示意图


 

微镜结构示意图


4.MEMS 加速度计


加速度传感器是最早广泛应用的MEMS之一。MEMS,作为一个机械结构为主的技术,可以通过设计使一个部件(图中橙色部件)相对底座substrate产生位移(这也是绝大部分MEMS的工作原理),这个部件称为质量块(proof mass)。质量块通过锚anchor,铰链hinge,或弹簧spring与底座连接。


绿色部分固定在底座。当感应到加速度时,质量块相对底座产生位移。通过一些换能技术可以将位移转换为电能,如果采用电容式传感结构(电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响),电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积,提高测量精度,降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。

 

MEMS加速度计结构示意图


 

MEMS加速度计中位移与电容变化示意图


汽车碰撞后,传感器的proof mass产生相对位移,信号处理单元采集该位移产生的电信号,触发气囊。更直观的效果可以观看视频。

 

汽车碰撞后加速度计的输出变化

 

实物图,比例尺为20微米,即20/1000毫米。


5.打印喷嘴


一种设计精巧的打印喷如下图所示。两个不同大小的加热元件产生大小不一的气泡从而将墨水喷出。具体过程为:1,左侧加热元件小于右侧加热元件,通入相同电流时,左侧产生更多热量,形成更大气泡。左侧气泡首先扩大,从而隔绝左右侧液体,保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂,液体重新填充该腔体。

 

采用气泡膨胀的喷墨式MEMS

 

HP生产的喷墨式MEMS相关产品

另一种类型MEMS打印喷头,也是通过加热,气泡扩大将墨水挤出:

 

MEMS喷头nozzle及加热器heater实物图:

 

还有一种类型是通过压电薄膜震动来挤压墨水出来:

 


6.开关/继电器


MEMS继电器与开关。其优势是体积小(密度高,采用微工艺批量制造从而降低成本),速度快,有望取代带部分传统电磁式继电器,并且可以直接与集成电路IC集成,极大地提高产品可靠性。


其尺寸微小,接近于固态开关,而电路通断采用与机械接触(也有部分产品采用其他通断方式),其优势劣势基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁,主要采用静电致动原理,当提高触点两端电压时,吸引力增加,引起悬臂梁向另一个触电移动,当移动至总行程的1/3时,开关将自动吸合(称之为pull in现象)。

 

MEMS开关断合示意图


再贴上几张实物图片,与示意图并非完全一致,但是原理类似,都是控制着一个间隙gap接触与否:

 

生物类实验

MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞,因此可以直接对其进行操作。

 

MEMS操作细胞示意图


7.NEMS(纳机电系统)


NEMS(Nanoelectromechanical systems, 纳机电系统)与MEMS类似,主要区别在于NEMS尺度/重量更小,谐振频率高,可以达到极高测量精度(小尺寸效应),比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度,(表面效应),且具有利用量子效应探索新型测量手段的潜力。


首个NEMS器件由IBM在2000年展示, 如图所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁(2D cantilever array)。该器件采用表面微加工技术加工而成(MEMS中采用应用较多的有体加工技术,当然MEMS也采用了不少表面微加工技术,关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍)。


该器件设计用来进行超高密度,快速数据存储,基于热机械读写技术(thermomechanical writing and readout),高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM(原子力显微镜)技术,相比磁存储技术,基于AFM的存储技术具有更大潜力。


快速热机械写入技术(Fast thermomechanical writing)基于以下概念,‘写入’时通过加热的针尖局部软化/融化下方的聚合物polymer,同时施加微小压力,形成纳米级别的刻痕,用来代表一个bit。加热时通过一个位于针尖下方的阻性平台实现。


对于‘读’,施加一个固定小电流,温度将会被加热平台和存储介质的距离调制,然后通过温度变化读取bit。 而温度变化可通过热阻效应(温度变化导致材料电阻变化)或者压阻效应(材料收到压力导致形变,从而导致导致材料电阻变化)读取。

 

IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图(SEM)其针尖小于20nm

 

快速热机械写入技术示意图


小结


物联网无疑是MEMS厂商心中最大的一个「梦」,无处不在的终端传感器让MEMS存在感剧增,与NB-IoT等新兴的低功耗无线协议结合在一起,更得以实现更大范围内的数据收集、分析和运营,定义出新的商业价值, 预计2020年的物联网设备会超过500亿台。中国未来的MEMS传感器能否实现中国制造,就看你们的了。 

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