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知识常备——MEMS传感器系统介绍

日期: 2019-03-05
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MEMS传感器技术介绍

MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)即微机电系统,也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等,指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置,可批量制作,将微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至接口、通信和电源等集为一体的微型器件或系统。MEMS是利用传统的半导体工艺和材料,通过微米技术在芯片上制造微型机械,并将其与对应电路集成为一个整体。受益于普通传感器无法企及的IC硅片加工批量化生产带来的成本优势,MEMS同时又具备普通传感器无法具备的微型化和高集成度。

MEMS其工作原理是外部环境物理、化学和生物等信号输入,通过微传感器转换成电信号,经过信号处理(模拟信号或数字信号)后,由微执行器执行动作,达到与外部环境“互动”的功能。如图1所示。

 

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图1 MEMS工作原理

 

传统麦克风传感器与MEMS麦克风传感器对比如图2所示。

 

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图2 传统麦克风传感器(左)与MEMS麦克风传感器(右)

 

MEMS传感器品种繁多,分类方法也很多。按其工作原理,可分为物理型、化学型和生物型三类。每种MEMS传感器又有多种细分方法,按检测质量的运动方式划分,有角振动式和线振动式加速度计。按检测质量支承方式划分,有扭摆式、悬臂梁式和弹簧支承方式。按信号检测方式划分,有电容式、电阻式和隧道电流式。按控制方式划分有开环和闭环式。常见的MEMS传感器有压力传感器、加速度传感器、微机械陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等。

 

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MEMS惯性传感器介绍

 

MEMS惯性传感器主要是指MEMS加速度计和MEMS陀螺仪。MEMS惯性传感器在1990年代开始规模应用在汽车工业和国防工业,20世纪初开始应用于手机等消费电子领域,物联网有望引领下一波增长浪潮(如图3所示)。

 

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图3

 

MEMS陀螺仪和MEMS加速度计,均由一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片组成,二颗芯片封装一起构成了陀螺仪或加速度计,如图4所示。

 

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图4 MEMS陀螺仪(加速计)内部构造

 

集成若干轴加速度计和陀螺仪为一体,可构成IMU(Inertial Measurement Unit惯性测量单元),IMU可用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度。ST的九轴MEMS IMU传感器(三轴陀螺仪+三轴加速度计)、InvenSense的九轴IMU传感器(三轴陀螺仪+三轴加速度计),如图5所示。

 

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图5 ST的IMU传感器(左)与InvenSense IMU传感器(右)

 

低精度的MEMS惯性传感器的应用领域以消费电子为代表,如手机、游戏机、无线鼠标、数码相机、硬盘保护、计步器、防盗系统、GSP导航、老人健康检测、玩具、玩具级无人机、智能运动器械等产品中,基本功能是测量物体的直线加速度、倾斜角度、转动速度、振动频率和力度等,这些基本的物理信号通过应用程序的开发,可以衍生出各种各样的功能。主要供应商为ST、Bosch、Invensense(TDK)、Mcube、苏州明皓、Kionix(Rohm)等。 

中精度的MEMS惯性传感器的应用领域以汽车为代表,主要功能为:安全气囊触发、电子稳定系统、防侧翻、轮胎防盗、TPMS(胎压监控)、GPS辅助导航、自动驾驶等。根据功能不同规格不同,如安全气囊触发的加速度计量程在±70g~±100g,电子稳定系统、防侧翻等的加速度计量程~±2g,零偏温漂在±0.1~±1mg/℃,电子稳定系统的陀螺仪的量程在±200°/s~±500°/s,零偏稳定性(常温Allen)在2~15°/h,另外还有精密农业、工业自动化、大型医疗设备、机器人、工厂机械、工业级无人机、仪器仪表、轨道交通等应用领域。主要供应商为ADI、Bosch、松下、精工、Murata、Silicon sensing、Infineon、MEMSIC等。

高精度的MEMS惯性传感器的应用以航天和国防领域为代表,包括导弹导引头、通信天线指向控制、智能炮弹、光学瞄准稳定系统、水下物体导航、飞机姿态监控、战场机器人等,其性能指标要求全工作温度区域得到保证,其中小量程加速度计的量程在10~100g,零偏稳定性<10mg;大部分陀螺仪的量程在100°/s~500°/s,零偏稳定性(常温Allen)在0.2°/h~1°/h。主要供应商为Honeywell、BEI、Sensonor、Colibrys、Endevco、Systron Donner、Sagem等。

 

MEMS——气压传感器

ROHM面向市场日益扩大的智能手机、可穿戴式设备和活动追踪器等领域,开发出可检测气压信息、用于高度和高低差检测的气压传感器“BM1383GLV”,并已于2015年4月开始投入量产。该产品融入了ROHM多年积累的传感器开发技术诀窍,并搭载高精度的检测用MEMS和低功耗高精度的A/D转换器,实现了业界最高级别的相对高度精度±20cm(相对气压精度±0.024hPa)。(图6)另外,传统气压传感器存在着低温时的检测精度很难提高的课题,而ROHM利用独创的校正算法,在IC内部进行温度校正,实现了低温下的高精度气压检测。(图7)同时,无需再给外部的微控制器搭载温度校正功能,这非常有助于减轻设计负担,成功实现了传感模块和运算模块的小型化。从而作为内置温度校正功能的气压传感器实现了业界最小级别(2.5mm&TImes;2.5mm&TImes;0.95mm)的封装尺寸。

 

                 

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图6:气压检测结果例                图7:温度依存气压检测结果例

 

随着气压传感器的用途越来越广泛,对更高精度的气压检测和高度检测功能的需求越来越大;同时,随着智能手机和可穿戴式设备的小型化、高性能化发展,对传感器的小型化要求也越来越强烈。为满足这些需求,ROHM预计于2016年4月份开始量产“BM1385GLV”。该产品继承了已经开始量产的BM1383GLV的特点,并通过优化气压检测用MEMS和控制电路,使面积比ROHM以往产品再缩减36%,是世界最小封装(2.0mm&TImes;2.0mm&TImes;1.0mm)的气压传感器。(图8)(截至2015年7月14日ROHM调查数据)

 

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图8:PKG尺寸示意图


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