MEMS传感器介绍

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  1. MEMS传感器的类别:

       MEMS 传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。它具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高、技术附加值高, 适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。MEMS 传感器和IC芯片最大的区别在于:MEMS 是可动结构,利用微纳加工技术同时加工出机械结构和电路系统。如图1中所示,是目前市场中常见的一些MEMS传感器,并且随着MEMS传感器的不断发展,还出现了许多从前没有的MEMS传感器,如流体黏度传感器,密度传感器等等。

2.MEMS传感器的市场规模与发展

自2015年开始MEMS传感器市场规模稳步提升[2],产品需求大幅增加,在物联网的发展和智能终端领域也得到广泛应用,传感器产品需求大幅增加,重心逐渐转向技术含量较高的MEMS传感器领域。在 MEMS 传感器应用前景良好和国产化进程提速背景下,未来我国 MEMS 传感器市场前景广阔。前瞻产业研究院结合之前的发展数据预测,未来几年我国MEMS传感器市场规模年均增速保持在15%左右,预测到2025 年我国 MEMS 传感器市场将达到 1488.6 亿元[3]

图2:2015—2020年MEMS传感器市场规模[2]

图3:2020-2025年中国MEMS传感器行业市场规模预测[3]

3.常见的MEMS传感器

    以手机和汽车为例,根据博世的统计数据表示,2021年,一部5G手机大概消耗20个MEMS传感器,一辆汽车,大概消耗50个以上MEMS传感器,其中加速计、压力传感器陀螺仪的应用合计占比超过95%,接下来,对这些常见的MEMS传感器进行一个简单的介绍

(1)MEMS压力传感器

压力传感器作为MEMS的头号传感器,在市场中占有巨大的份额,MEMS压力传感器是一种薄膜元件,受到压力时会产生变形,常常通过压阻或者电容的形式将形变转化为电信号,再经过过转换元件和转换电路,输出与压力成线性关系的电流或者电压信号。压阻式和电容式这两种方法都很流行,在工艺和性能上,压阻式工艺复杂,温度特性较差,电容式除了具有低温度系数,零静态功耗等优势,还具有灵敏度高、线性度好、后续处理电路易于设计等优点,此外,除了电容式和压阻式外,还有谐振式压力传感器等其他工作原理的MEMS压力传感器。MEMS压力传感器的应用领域包括:汽车、医疗和工业等,典型的应用比如:汽车的胎压监测

(2)MEMS加速度传感器

加速度传感器的原理随其应用而不同,有压阻式,电容式,压电式,谐振式等。已压阻式MEMS加速度传感器为例,其制作方法,是通过注入、推进、氧化的创新工艺来制作压敏电阻;采用KHO各向异性深腐蚀来形成质量块;并使用AES来释放梁和质量块;最后利用键合工艺来得到所需的“三明治”结构[4]

图4:MEMS压阻式加速度传感器结构[4]

(3)MEMS陀螺仪

微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样,但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承,已被证明可以用微机械加工技术大批量生产,一般的微机械陀螺仪由梳子结构的驱动部分和电容板形状的传感部分组成,有的设计还带有去驱动和传感耦合的结构。MEMS陀螺仪常用于汽车旋转速度的测量,与加速度传感器一起组成主动控制系统。

(4)MEMS黏密度传感器

黏密度作为流体的重要特性,描述了流体的流动特性和质量关系,目前市面上的黏密度计,主要针对的应用领域包括:实验室测量,流体粘度、密度、浓度、质量监测/测量等,比较典型的包括:燃油质量监测,食品包装气监测,焊接气体浓度监测,医药生产链的材料流体密度、浓度监测等等,与传统的黏度测量方法(毛细管法、落球法和旋转法等)和密度测量方法(气量计、比重瓶和浮力法等)不同,MEMS黏密度传感器常用的测量原理是采用谐振式的微悬臂梁结构,通过让流体与悬臂之间发生谐振,利用谐振频率与流体粘密度间关系,结合转换模块,将流体的黏密度数据转换为数字信号。(图为MEMS黏密度传感器的芯片)

参考文献:

[1]王淑华. MEMS传感器现状及应用[J]. 微纳电子技术,2011,48(08):516-522.
[2]韩允. MEMS传感器的发展概况[J]. 电子产品世界,2019,26(01):4-8.
[3] 本土传感器产业现状、挑战与建议 作者:李晨光
[4] MEMS加速度传感器的原理与构造介绍 传感器技术