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MEMS传感器浅析

2020-10-27e-works 王丽伟

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传感器技术是信息技术的三大支柱之一,是实现物联网和智能控制的关键技术。

导语

    传感器技术是信息技术的三大支柱之一,是实现物联网和智能控制的关键技术。传感器技术发展到近代,出现了具备信息处理能力的智能传感器,它对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力。随着5G万物互联时代的到来,智能传感器的产业前景十分广阔。根据Markets and Markets报告,全球智能传感器市场规模将从2020年的366亿美元达到2025年的876亿美元,年均复合增长率19.0%。而融合了微机电和控制技术的MEMS传感器,是当前传感器的主流。

一、什么是MEMS传感器

    1.MEMS传感器的工作原理与特性

    MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)即微机电系统,是集微传感器、微执行器、微机械结构、信号处理和控制电路、微电源、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。

    图1为典型的MEMS工作原理图。其输入信号是物理信号,通过传感器转换为电信号,经过信号处理(模拟的或/和数字的)后,由执行器与外界产生作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号(电、光、磁等物理量)与其他的微系统进行通信。

MEMS工作原理图

图1 MEMS工作原理图

    上个世纪八十年代,美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,简称DARPA)提出MEMS的概念,随后,人们在Si芯片上研制出可动的微部件、齿轮、涡轮等,成为MEMS研究的重要标志。MEMS技术和CMOS技术在传感器领域的结合使MEMS传感器应运而生。

    MEMS传感器涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具体来说它是一种将能量从一种形式转变成另一种形式,并针对特定可测量的输入为用户提供一种可用的能量输出的微型器件,采用了微电子和微机械加工技术进行制造。其工作原理如图2所示。

MEMS传感器的工作原理

图2 MEMS传感器的工作原理

    相比传统传感器,MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成和大批量生产等优势。此外,作为智能传感器代表的MEMS传感器,在信号采集、数据处理、信息交互和逻辑判断等过程中表现出如下智能特性:

    ①数据预处理。对数字化的数据进行分析、计算,实现自动调校、自动平衡、自动补偿和自选量程等功能。

    ②自动校准。可根据操作者输入的零值或某一标准量,调用自动校准软件对传感器进行调零和校准。

    ③自动诊断。在工作过程中可进行自检,判断传感器各部分是否正常运行,并进行故障定位。

    ④自适应。在工作过程中能够主动调节自身模型和参数,以适应外部环境的变化,从而保证其基本功能和性能。

    ⑤双向通信。采用双向通信接口,向外部设备发送测量、状态信息,并能接收和处理外部设备发出的指令。

    ⑥智能组态。设有多种模块化的硬件和软件,根据不同的应用需求,操作者可改变其模块的组合状态,实现多传感单元、多参量的复合测量。

    ⑦信息存储和记忆。可存储传感器的特征数据和组态信息,如装置历史信息、校正数据、测量参数、状态参数等,在断电重连后能够自动恢复到原来的工作状态,也能根据应用需要随时调整其工作状态。

    ⑧自推演。可根据数据处理得到的结果或其他途径得到的信息进行多级推理和预测,并输出结果。

    ⑨自学习。可根据外部环境的变化和历史经验,主动改进/优化自身模型、算法和参数。

    2.MEMS传感器的分类

    智能传感器的分类形式多样,根据GB/T 34069-2017《物联网总体技术智能传感器特性与分类》,智能传感器可按照通用分类从材料、工作原理、输出信号类型、工作机理、检测对象、制作工艺等方面进行分类;也可从智能化角度,按照结构、技术、信号处理等方面进行分类;亦可从物联网角度,按通信接口类型、节点类型等方面进行分类。

    常见的是依据工作原理分为物理量智能传感器、化学量智能传感器和生物量智能传感器三大类。MEMS传感器也可遵循此规则分类见下:

MEMS传感器分类

图3 MEMS传感器分类

二、常见MEMS智能传感器介绍

    本节选取了市场占有率较高、较为常见的MEMS智能传感器,从原理、应用等方面进行简单的介绍。

    1.MEMS压力传感器

    MEMS压力传感器是最广泛使用的MEMS产品之一,它是一种薄膜元件,受到压力时变形。根据工作原理可以分为压阻式、电容式、光学、谐振传感器以及其他类型等,其中最常用的是压阻传感器和电容传感器。MEMS压力传感器可以感知的压力范围很宽,从微压、低压、中压到高温高压。目前已经广泛用于微型机电系统、汽车、航空动力学、工艺控制和生物医学等方面。

    2.MEMS惯性(组合)传感器

    MEMS惯性(组合)传感器又称惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,简称IMU),通常包含速度传感器(即加速计)、角速度传感器(即陀螺仪)、磁感应传感器(即磁力计),这三类传感器的组合就形成了三轴、六轴和九轴惯性组合传感器,应用较多的是前两者。

    MEMS惯性组合传感器应用范围非常广泛,从军事防御、机器人、船舶、飞机和无人机、结构监测、可重复使用航天运载器和微型卫星,到监测建筑物状态、监测风力发电厂、太阳能发电厂、高压线路、水坝、管道等,再到智能手机、工业自动化、自动/无人驾驶汽车、智能家居等。其发展方向是新一代电子学架构、多功能集成和高精度。

    (1)加速度传感器

    加速度传感器是一种能够测量加速度的传感器。通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成。传感器在加速过程中,通过对质量块所受惯性力的测量,利用牛顿第二定律获得加速度值。根据传感器敏感元件的不同,常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。

    (2)角速度传感器(陀螺仪)

    角速度传感器也叫陀螺仪,是一种用来感测与维持方向的装置,它是基于角动量不灭的理论,应用Coriolis力原理设计出来的。MEMS陀螺仪利用内置的单晶硅或者多晶硅的振动质量块,在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测旋转系统的角速度,主要应用于导航、运动物体的位置控制和姿态控制,以及其它需要精确角度测量的场合。目前已经广泛应用于汽车、工业机器人、智能手机、平板电脑及可穿戴智能硬件等。

    3.射频(RF)MEMS

    所谓射频(Radio Frequency,RF)MEMS是用MEMS技术加工的RF产品。射频微机电系统(RF MEMS)是MEMS技术的重要应用领域之一,也是二十世纪九十年代以来MEMS领域的研究热点。RF MEMS器件主要有:基于开关基本结构单元的移相器、可调滤波器、可变波束天线等,应用于相控阵雷达系统、平面阵列扫描天线等;硅基/熔融石英基的高性能滤波器,应用于军用雷达/卫星通信、电子对抗等;超小型化的声波滤波器(SAW、FBAR),大量应用于手机、无线人机交互设备、导航、微纳卫星等;微纳电感、电容结构组成的天线阵列,用于雷达、电子对抗等;微纳传输线/波导结构(如微同轴结构)组成的高性能T/R组件等。

    4.MEMS麦克风

    MEMS基声学传感器应用广泛的是MEMS麦克风。麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件,MEMS麦克风相比传统的ECM(驻极体电容器)麦克风具有耐热、抗震、灵敏度与信噪比高,且易于集成麦克风阵列提高通话质量等优点。

    MEMS麦克风在消费电子、汽车、医疗等领域有广泛的应用,目前几乎每部智能手机至少使用1个MEMS麦克风,用于语音采集、噪音消除、改善语音识别等。MEMS麦克风除了应用在手机、电脑等领域外,耳机组、汽车电子、医疗数位设录影机也是其重要应用市场。随着人工智能技术的快速崛起,可穿戴智能设备、无人驾驶、智能家居等物联网领域将成为MEMS麦克风的新兴市场。

    5.MEMS光学传感器

    光学与微机电技术的结合又叫微光机电系统(Micro-Opto-Electro-Mechanical System,MOEMS),是MEMS技术的一个重要分支。从光学系统工作原理角度区分MOEMS,有反射式、透射式、衍射式、干涉式以及波导等。MOMES中的微光学元件在微电子和微机械装置的操控下实现对光束进行汇聚、衍射、反射、相位调制等控制,从而可实现光开关、衰减、扫描、成像和探测等功能,广泛应用在生产、生活领域,如工业品生产制造、机器人自动导航、航空航天图像、医学图像分析、特征图像目标识别、鉴定和跟踪等。

    此类近年来发展较快的一个应用热门是非制冷红外热成像和探测器。

    非制冷红外热成像和探测器

    红外探测器和成像仪,包括热释电感测器、热电堆和微测辐射热计,其在军事和商用领域具有非常广泛的应用。军事领域应用包括武器热观瞄(TWS)、便携式视觉增强、车载视觉增强(DVE)、远程武器站(RWS)、无人机(UAV)、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等;热像测温领域用于预防性检测,例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域,可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面,用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其他的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等;商用视觉增强领域的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势,对人眼视觉进行有效的补充。

    6.MEMS气体传感器

    气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人和机器读懂的信息装置。常用的包括有:半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等类型。目前市场上的MEMS气体传感器以单晶硅材料为衬底,非硅材料为敏感层的最为常见。这类传感器又可根据制作材料分为MEMS电导型气敏传感器和MEMS固体电解质气敏传感器。气体传感器广泛应用于工业、生活的各个领域,如石油、化工、钢铁、冶金、矿山、环保、市政、医疗、食品等诸多领域。近年来,随着互联网与物联网的高速发展,气体传感器在新兴的智能家居、可穿戴设备、智能移动终端等领域的应用突飞猛进,大幅扩展了应用空间,需求量也发生数量级的改变。

三、MEMS传感器典型应用场景

    1.汽车工业领域

    MEMS传感器在汽车工业的应用较早,近期发展也较快。目前在汽车应用系统中,MEMS传感器广泛应用于发动机运行管理、废气与空气质量控制、刹车防抱死系统、车辆动力学控制、自适应导航、车辆行驶安全以及自动驾驶等系统中。当前一辆普通家用轿车上大约安装了近百个MEMS传感器,而高档车上的传感器数量更是翻倍。

    车载MEMS传感器按照其测量性质可划分为物理型、化学型和生物型。其中MEMS物理型传感器是汽车上应用最为普遍的传感器,基本上在汽车电子控制的各个方面均有涉及。其中汽车MEMS压力传感器主要用于测量气囊贮气压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力、空气过滤系统的流体压力、TPMS(轮胎压力监测系统)等;MEMS加速度传感器在汽车安全气囊系统、汽车防盗系统、汽车电子导航及防滑系统中广泛应用;MEMS陀螺仪主要用于汽车导航的GPS信号补偿、汽车底盘控制系统以及安全主动控制系统,例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道。自动/辅助驾驶系统(ADAS)所用到传感器则主要包括微波/毫米波雷达、超声波传感器、摄像头、激光雷达等。

    汽车上的MEMS化学型传感器是指气体浓度传感器,主要用来测试汽车系统氧气、二氧化碳等气体的浓度。其中最主要的是氧传感器,它检测汽车尾气中的氧含量,根据排气中的氧浓度测定空燃比,向微机控制装置发出反馈信号,以使空燃比收敛于理论值。

    汽车上的MEMS生物型传感器则包括电化学生物传感器和指纹识别传感器等,主要用于汽车的个性化舒适控制和防盗系统,以及预测驾驶员疲劳驾驶等汽车行驶安全系统。

    自动驾驶技术需要对环境进行多方面感知,多传感器融合将是必然趋势。目前国内的汽车传感器厂家如航天机电、东风科技、成都长迪等都在致力于集合多种探测信号的车用传感器研制。

    2.工业机器人领域

    工业机器人需要在作业中接受到周边环境的各种反馈信息,因此需要用到的传感器种类较多,根据其检测内外部信息可以分内传感器、外传感器两类。一般内传感器帮助工业机器人识别自身的状态,有位置传感器、速度和加速度传感器、力觉传感器等;外传感器模仿人类的五官,从视觉、触觉、听觉等方面,帮助机器人了解外部环境的反馈信息,配合内传感器更好的进行作业操作。

    工业机器人在应用过程中,通常需要借助的外传感器有:

    ●二维及三维的视觉传感器,以确定工件的位置,进而帮助其调整动作进行零件的取放;

    ●力/力矩传感器(触觉传感器)、碰撞检测传感器等将装配、人工引导、力度限制等应用得以实现,进而保障作业安全;

    ●射频识别(RFID)传感可以提供识别码并允许得到许可的机器人获取其他信息,促进机器人之间的协作作业;

    ●麦克风(声学传感器)帮助工业机器人接收语音命令并识别熟悉环境中的异常声音;麦克风配合压电传感器,还可以识别并消除振动引起的噪声,避免机器人错误理解语音命令;

    ●温度传感器。温度检测是机器人自我诊断的一部分,可用于确定其周遭的环境,避免潜在的有害热源;此外,利用化学、光学传感器,机器人能够评估、调整和检测其环境中存在的问题;

    ●位置和惯性组合传感器。示教功能要求工业机器人具有空间运动跟踪的能力,要能够准确连续地测量方向和角速率的变化,另外对于自由度较高的工业机器人,在生产过程中需要对加工对象的偏航、俯仰、滚转等情况进行检测,因此对于位置传感器和能够测量加速度和角速度的惯性组合传感器有着特定的需求。目前工业机器人的自主灵活移动也是应用需求之一,这个需求需要借助MEMS传感器配合导航系统来实现;

    国内的工业机器人厂商已经将MEMS传感器视作工业机器人越来越智能的秘密武器。2020年中国国际工业博览会上展出的协作型工业机器人搭载了3D视觉系统与力矩传感器,能准确辨别被抓取物料的大小、颜色、距离等,可将随意摆放的螺钉有序的供给拧紧模组,再利用传感器检测扭矩,监测反馈确认螺钉拧紧,该应用实现了可协作机器人超高的重复定位精度(±0.02mm),目前已经得到实际应用。

    3.石油化工领域

    MEMS传感器在工业的自动化领域应用也较多,特别在生产危险性较高的石油、化工等流程行业,常见的压力、流量(差压式)和液位(法兰式)测量的变送器,以及温湿度传感器和气体传感器已经实现广泛应用。

    在化学反应过程中,压力影响着化学物料平衡关系和化学反应速度,在化学品存储和流体输送中,压力也与管道、设备的安全性息息相关。结合了MEMS技术的压力变送器目前可用于石油、化工行业的过滤器堵塞的预警系统、监视油田原油生产提高生产率的系统,以及用于炼油厂压缩机站、苯排放、输送碳氢化合物的泵振动监测等,以消除环境污染事故,提高生产安全性。

    可燃、易燃易爆、有毒气体的危害,在化工行业的绝大多数企业中普遍存在,防火防爆防毒气在化工安全监测中具有特殊重要的地位及意义。温湿度传感器与可燃气体传感器配合,在原油沉降罐操作间、原油储罐区、含油污水罐区等位置安装,以跟踪检测可燃气体浓度,监测生产环境的温湿度,确保安全生产。此外,众多毒性气体传感器也在化工厂区安装以实现对有毒气体泄露的检测和报警。常见化工厂界中空气监测参数包括二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等;或监测VOC浓度等挥发性气体;或检测恶臭浓度,包括氨气、硫化氢、TVOC、OU浓度等等。

    目前传感器厂家多将传感器作为核心,配合在线分析组成危险气体监测及预警系统解决方案,实现对化工厂的安全监控。如深圳市某公司研发的可燃、有毒有害气体检测、控制报警系统,针对化工厂的易燃气体、易爆气体、有毒气体等产品在线监控分析,形成直观结果,使生产管理人员掌握化工生产车间的危险气体实时动态信息,并能查询危险气体在过去时间的变化动态,对可能引发危险事故的因素及时排除,把危险控制在始发阶段,以实现化工生产的安全、持续、高效进行。

    4.消费电子领域

    消费电子产业的迅速兴起与MEMS传感器的快速发展相辅相成,各种类型的MEMS传感器在消费电子上的应用正在普及。如今应用在手机、可穿戴设备中普遍装配有加速度传感器、压力传感器、陀螺仪、硅麦克风、指纹传感器、距离传感器,环境光传感器、磁传感器等数十种MEMS产品,智能家居中,则利用MEMS温湿度传感器、空气传感器、流量传感器、人感传感器等多维度智能监控一起打造更为舒适的人居环境。

    消费电子领域的MEMS传感器技术的进步,也催生了全新的应用场景。SENSOR CHINA 2020展会上最新推出的骨声纹传感器,可通过拾取佩戴者说话时颌骨的振动信号,更好地区分佩戴者的通话声和背景噪音,配合降噪算法,加强通话人声的同时降低环境噪声。此外,可以识别独一无二的声纹信息,根据用户语音指令可实现支付、解锁等便捷操作,提升人机交互的便利性。可以广泛应用在TWS耳机、智能手表、手环、VR/AR、医疗、军事以及工业监测等方面,从而实现语音唤醒、智能声纹识别、振动状态感知等应用场景。

    5.航空航天领域应用

    MEMS传感器体积小,重量轻,此外具备较强的耐磨性、耐久性,且在布设和抗恶劣环境的影响上具有一定的稳定性,因此在航空航天领域中的应用前景也非常广阔。目前MEMS传感器已经在军用领域得到诸多应用,如结合卫星技术,可实现一定空间区域内的卫星信号的传输,在微型惯性导航系统、空间姿态测定系统、动力和推进系统、控制和监视系统和微型卫星等方面的应用优势明显。

    此外,MEMS传感器在民用航空领域也得到广泛应用,如MEMS传感器可以安置在飞机的关键部位,能够结合安装部位的位置进行精确的控制与操作,实现精准控制。在飞机飞行的过程中,借助MEMS传感器对大气中的气流环境、流速和声学等信息系统执行的控制部件进行分析,在确保飞机整体平稳飞行的基础上,提升和促进飞机燃料系统的最优化利用。

    航空航天领域中高温压力传感器一直被进口品牌占据,目前在民用航空领域,已经有国产品牌涉足。我国自主研发生产的高温系列MEMS压力传感器,已经可在-40℃~260℃的环境中使用,综合精度-0.5% FSO~+0.5% FSO,能够应用于无腐蚀性、非离子的工作流体。

    6.生物医学领域

    生物传感器技术是一个非常活跃的工程技术研究领域,MEMS传感器在该领域中的发展也很迅速。从20世纪80年代起,生物传感技术就在生物医学检验、疾病诊断与治疗、食品分析、环境监测、工业过程检测与控制、毒物检测及战争生化预警等领域得到广泛的应用,如今生物传感技术的进步,也使得其应用场景不断拓宽:可穿戴式的生物传感器通过皮肤上的汗水可监测患者的葡萄糖水平,相比血液检测对人体更加友好;新型纳米生物传感器可在短短2-3小时内检测到病毒,相比原先的病毒检测需要1-3天,为患者的有效医治大大争取了时间;可穿戴外骨骼结构系统采用陀螺仪、倾斜传感器、惯性传感器和加速度传感器等帮助系统保持平衡和正常运行,让使用者跑得更快、跳得更高、负重更强,拓展了人类活动的范围。

    近年来,我国生物工业规模已居世界首位,但生物传感技术研究成果向产业转化进程还稍显缓慢,滞后于学术研究成果的形成。2018年,由山东省科学院生物所牵头组建的“中国生物传感器制造创新中心”,联合行业顶级科研机构与高校、企业,是中国生物传感技术产业化的重要研究机构,重点攻克长期以来在生物传感技术产业化上的卡脖子问题。

    未来随着微机电信息技术的进步,以及人工智能、5G等信息技术的不断发展,MEMS传感器必然还将在智慧农业、智能交通、智慧家居以及智慧城市等更多领域实现更深入的应用。

四、MEMS传感器发展趋势

    从产品本身来看,用MEMS工艺制造的传感器、执行器或者微结构,未来仍将继续向“三高三化”方向演进——高精度、高可靠性、高度集成、微型化、微功耗化(无源化)和智能化。

    1.高精度

    导航、自动驾驶等对精细化测量要求较高,这对传感器的精度提出了越来越高的要求。此外随着工业生产精益化、自动化、智能化的提高,必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可靠性。

    2.高可靠性

    传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能,研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。发展新型材料(如陶瓷)传感器将很有前途。

    3.高度集成

    传感器呈现多项功能高度集成化和组合化。由于设计空间、成本和功耗预算日益紧缩,在同一衬底上集成多种敏感元器件、制成能够检测多个参量的多功能组合MEMS传感器成为重要解决方案。

    4.微型化

    微型化不可逆,MEMS向NEMS(Nano-Electro-Mechanical System,纳机电系统)演进。与MEMS类似,NEMS是专注纳米尺度领域的微纳系统技术,只不过尺寸更小。而随着终端设备小型化、种类多样化,MEMS向更小尺寸演进是大势所趋。

    5.微功耗/无源化

    传感器低功耗化需求日趋增加。随着物联网等应用对传感需求的快速增长,传感器使用数量急剧增加,能耗也将随之翻倍。降低MEMS功耗,增强续航能力的需求将会伴随传感器发展的始终,且日趋强烈,开发微功耗及无源传感器是必然的发展方向。

    6.智能化

    加入信号处理功能,实现智能化。现代传感器作为电子产品的“感知中枢”,通过加入微控制单元和相应信号处理算法,还可以承担自动调零、校准和标定等功能,实现终端设备的智能化。

责任编辑:程玥
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