MEMS傳感器技術(shù)介紹

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）即微機電系統(tǒng)，也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，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)的半導體工藝和材料，通過微米技術(shù)在芯片上制造微型機械，并將其與對應電路集成為一個整體。受益于普通傳感器無法企及的IC硅片加工批量化生產(chǎn)帶來的成本優(yōu)勢，MEMS同時又具備普通傳感器無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、化學和生物等信號輸入，通過微傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號處理（模擬信號或數(shù)字信號）后，由微執(zhí)行器執(zhí)行動作，達到與外部環(huán)境“互動”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)麥克風傳感器與MEMS麥克風傳感器對比如圖2所示。

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圖2 傳統(tǒng)麥克風傳感器（左）與MEMS麥克風傳感器（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、化學型和生物型三類。每種MEMS傳感器又有多種細分方法，按檢測質(zhì)量的運動方式劃分，有角振動式和線振動式加速度計。按檢測質(zhì)量支承方式劃分，有扭擺式、懸臂梁式和彈簧支承方式。按信號檢測方式劃分，有電容式、電阻式和隧道電流式。按控制方式劃分有開環(huán)和閉環(huán)式。常見的MEMS傳感器有壓力傳感器、加速度傳感器、微機械陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等。

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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加速度計和MEMS陀螺儀。MEMS慣性傳感器在1990年代開始規(guī)模應用在汽車工業(yè)和國防工業(yè)，20世紀初開始應用于手機等消費電子領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)有望引領(lǐng)下一波增長浪潮（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，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，如圖4所示。

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圖4 MEMS陀螺儀（加速計）內(nèi)部構(gòu)造

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集成若干軸加速度計和陀螺儀為一體，可構(gòu)成IMU（Inertial Measurement Unit慣性測量單元），IMU可用于測量物體三軸姿態(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）、InvenSense的九軸IMU傳感器（三軸陀螺儀+三軸加速度計），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慣性傳感器的應用領(lǐng)域以消費電子為代表，如手機、游戲機、無線鼠標、數(shù)碼相機、硬盤保護、計步器、防盜系統(tǒng)、GSP導航、老人健康檢測、玩具、玩具級無人機、智能運動器械等產(chǎn)品中，基本功能是測量物體的直線加速度、傾斜角度、轉(zhuǎn)動速度、振動頻率和力度等，這些基本的物理信號通過應用程序的開發(fā)，可以衍生出各種各樣的功能。主要供應商為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輔助導航、自動駕駛等。根據(jù)功能不同規(guī)格不同，如安全氣囊觸發(fā)的加速度計量程在±70g～±100g，電子穩(wěn)定系統(tǒng)、防側(cè)翻等的加速度計量程～±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)自動化、大型醫(yī)療設備、機器人、工廠機械、工業(yè)級無人機、儀器儀表、軌道交通等應用領(lǐng)域。主要供應商為ADI、Bosch、松下、精工、Murata、Silicon sensing、Infineon、MEMSIC等。

高精度的MEMS慣性傳感器的應用以航天和國防領(lǐng)域為代表，包括導彈導引頭、通信天線指向控制、智能炮彈、光學瞄準穩(wěn)定系統(tǒng)、水下物體導航、飛機姿態(tài)監(jiān)控、戰(zhàn)場機器人等，其性能指標要求全工作溫度區(qū)域得到保證，其中小量程加速度計的量程在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。主要供應商為Honeywell、BEI、Sensonor、Colibrys、Endevco、Systron Donner、Sagem等。

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MEMS——氣壓傳感器

ROHM面向市場日益擴大的智能手機、可穿戴式設備和活動追蹤器等領(lǐng)域，開發(fā)出可檢測氣壓信息、用于高度和高低差檢測的氣壓傳感器“BM1383GLV”，并已于2015年4月開始投入量產(chǎn)。該產(chǎn)品融入了ROHM多年積累的傳感器開發(fā)技術(shù)訣竅，并搭載高精度的檢測用MEMS和低功耗高精度的A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了業(yè)界最高級別的相對高度精度±20cm（相對氣壓精度±0.024hPa）。（圖6）另外，傳統(tǒng)氣壓傳感器存在著低溫時的檢測精度很難提高的課題，而ROHM利用獨創(chuàng)的校正算法，在IC內(nèi)部進行溫度校正，實現(xiàn)了低溫下的高精度氣壓檢測。（圖7）同時，無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計負擔，成功實現(xiàn)了傳感模塊和運算模塊的小型化。從而作為內(nèi)置溫度校正功能的氣壓傳感器實現(xiàn)了業(yè)界最小級別（2.5mm&TImes;2.5mm&TImes;0.95mm）的封裝尺寸。

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

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隨著氣壓傳感器的用途越來越廣泛，對更高精度的氣壓檢測和高度檢測功能的需求越來越大；同時，隨著智能手機和可穿戴式設備的小型化、高性能化發(fā)展，對傳感器的小型化要求也越來越強烈。為滿足這些需求，ROHM預計于2016年4月份開始量產(chǎn)“BM1385GLV”。該產(chǎn)品繼承了已經(jīng)開始量產(chǎn)的BM1383GLV的特點，并通過優(yōu)化氣壓檢測用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