MEMS传感器技术及应用

感知芯视界 2024-05-27 17:16



源:半导体行业观察,谢谢 



编辑:感知芯视界 Link


MEMS 全称微型电子机械系统(Micro Electromechanical System),利用传统的半导体工艺和材料,集成微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。其内部结构一般在微米甚至纳米量级,与传统工艺制造的传感器相比,具有小体积、低成本、集成化、智能化等优点。


MEMS 器件种类众多,主要分为 MEMS 传感器和 MEMS 执行器。MEMS 传感器是用来检测物理、化学或生物现象的器件,它可以感知和测量物体的特定状态和变化,并按一定规律将被测量的状态和变化转变为电信号或者其它可用信号;MEMS 执行器则是用来产生机械运动、力和转矩的器件,它将控制信号转变为微小机械运动或机械操作。


图1 常见 MEMS 传感器类型


惯性传感器


MEMS 惯性传感器属于 MEMS 传感器的重要分支,主要用于检测物体的运动。MEMS 加速度计、MEMS 陀螺仪以及通过组合形成惯性组件的 IMU 均属于 MEMS 惯性传感器。


MEMS 加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件,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。加速度计的理论基础是牛顿第二定律,传感器在加速过程中,可通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值。如果初速度已知,就可以通过加速度对时间积分得到线速度,再次通过线速度对时间积分可计算出直线位移。按工作原理划分,MEMS加速度计可以分为电容式、压电式、热感式、谐振式等。电容式 MEMS 加速度计是目前应用最多的类型,具有检测精度高、受温度影响小、功耗低、宽动态范围以及可以测量静态加速度等优点,被广泛应用于消费电子、汽车、工业、高可靠等各个领域。公司 MEMS 加速度计即为电容式的。


图2 MEMS 加速度计原理简图


陀螺仪用来测量角度变化,侦测物体水平改变的状态。高精度 GPS 和惯性导航对 MEMS 陀螺仪的要求和依赖程度非常高。陀螺仪能够精确的测量运动的方向和速度,将速度乘以时间就可获得运动的距离。对于 GPS 而言,陀螺仪能在 GPS 信号不好时能继续发挥导航的作用并修正 GPS 定位不准的问题,陀螺仪能比 GPS 提供更灵敏准确的方向和速度,陀螺仪是 GPS 很好的补充。“陀螺仪+GPS”是目前飞机和导弹确定方向最常用的方法。MEMS 陀螺仪的核心原理为科里奥利力,其内部结构主要分为梳齿结构的驱动部分和电容板形状的传感部分。在可移动电容板上加震荡电压后,可以通过科里奥利力来探测出电容变化,再从电容的变化计算出角速度。


图3  MEMS 陀螺仪内部结构及工作原理


惯性传感组合 IMU 全称 Inertial Measurement Unit,又称惯性测量单元,是基于 MEMS 技术的惯性传感器组合,由加速度计和陀螺仪共同组成。基于加速度计和陀螺仪原理,其测量功能全面,可测量空间多个方向的加速度和角速度。


MEMS 惯性传感器属于产业链较上游的芯片/组件领域,为产业链中游惯性模组厂商提供基础核心惯性元器件,此类惯性元器件主要用于自主测量和反馈物体运动速度和角度的变化,并与卫星等其他导控模块形成惯性导航系统、组合惯性系统等,经下游应用端客户集成在相关设备中发挥惯性导航、惯性测量和惯性稳控的作用,其目前在工业与通信、高可靠、汽车电子、医疗健康、消费电子等多个领域应用广泛。


图4 MEMS 惯性传感器产业链


图5 MEMS 惯性传感器主要应用领域


随着 MEMS 惯性技术的持续进步,高性能 MEMS 惯性传感器应用逐渐拓展到无人系统、自动驾驶、高端工业、高可靠等领域,而中低性能 MEMS 惯性传感器主要应用于消费电子和传统汽车电子等领域。


压力传感器


压力传感器是能够感受压力信号,并按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号的器件或装置,是全球最为常用的一种传感器。其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多领域。


根据压敏元件的主流技术原理的不同,压力传感器主要可分为电容式压力传感器和电阻式压力传感器;根据工艺和工作原理不同,可以分为 MEMS 压力传感器、陶瓷压力传感器、溅射薄膜压力传感器、微熔压力传感器、传统应变片压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器、光纤压力传感器和谐振压力传感器等。


其中 MEMS 压力传感器量程一般在 1KPa-100MPa 之间,具有小型化、可量产、易集成等优点,市场需求量大、应用领域广,是智能压力传感器的重要载体。


MEMS 压力传感器行业产业链的下游应用领域主包括汽车电子(如汽车发动机系统、制动系统、燃油系统和后处理系统等)、消费电子(如智能手机、无人机、可穿戴设备的高度计/气压计等)、工业控制(如石油、电力、轨道交通工业过程控制和状态监测,以及航空航天气流压力检测等)和医疗领域等。


声学传感器


声学传感器是一种可以将声音信号转换为电信号或将电信号转换为声音信号的设备。在前一种情况下,它们被称为输入声音传感器(如麦克风)。在后一种情况下,它们被称为输出声音传感器(如扬声器)。


MEMS 声学传感器利用微机电系统技术制造,简而言之就是将一个电容器集成在微硅晶片上,可以采用表贴工艺进行制造,能够承受高回流焊温度,容易与 CMOS 工艺及其它音频电路相集成。


它采用 MEMS 技术将声学信号转换为电信号,主要产品类型包括微型麦克风和超声波传感器等。


以微型麦克风为例,其主要构成器件包括 MEMS 微电容极头(含接受声音的硅振膜和硅背极)、MEMS 微电容传感器、微集成转换电路、声腔、RF 抗干扰电路等;其工作原理为:硅振膜可以直接接收到音频信号,经过 MEMS 微电容传感器传输给微集成电路,微集成电路把高阻的音频电信号转换并放大成低阻的电信号,同时经 RF 抗噪电路滤波,输出与前置电路匹配的电信号,从而完成声电转换,并通过对电信号的读取,进而实现对声音的识别。


作为一种非常灵敏、卓越的声学传感器,其小巧轻便、低功耗、稳定性强、可靠性高以及抗干扰能力强,具有良好的空间复位、改进的噪声消除以及良好的 RF 和 EMI 抑制性能。在消费电子领域,如智能手机、智能无线耳机、平板电脑、智能可穿戴设备和智能家居等方面,MEMS 声学传感器已经广泛应用;同时,在医疗、汽车电子、工业等领域也存在应用,主要用于语音识别、计算机音频、听力诊断及安防监控等,具有非常重要的社会和经济价值。


环境传感器


环境传感器泛指能够感知温度、湿度、气体成分等环境变量的一系列传感器。不同于 MEMS 惯性传感器必须采用密闭封装以避免外界环境对传感器的干扰,MEMS 环境传感器只能采用开放腔体封装,因为其需要与外界联通以感知环境信息。


温度传感器可用于任何需要检测温度的地方,将温度信号转化为可用输出信号。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段:传统分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能温度传感器。目前新型温度传感器正向微型化、高精度、低功耗、智能化、网络化发展。MEMS 技术为传感器的微型化提供了重要的技术支撑。MEMS 工艺有助于进一步减少温度传感器的封装面积,降低其耗电量,由于体积微小,可以设臵在离被测点更近的位臵并直接焊接在 PCB 板上,因此能提供更精确的温度测量。


图6 温度传感器的发展阶段


温度传感器按检测原理划分可分为:

  • 热电偶式,利用不同材质的导体连接点在不同温度下的电位差进行测量;

  • 双金属效应式,利用金属或其他材料的热膨胀系统不同的原理;

  • 电阻式,利用材料的电阻率随温度变化而变化的特性,包括金属电阻、热敏电阻、半导体电阻等;

  • PN 结式,利用二极管和晶体管作为热传感器;

  • 热电堆式,采用掺杂的硅和标准金属作为热电偶,并由多个相同的热电偶堆叠;

  • 谐振式,基于温度-机械耦合效应;另外,还有辐射式等。但并不是所有技术都与集成电路技术相匹配,目前双金属效应式、PN 结式、热电堆式、谐振式等测温技术可与 MEMS 技术相结合制作 MEMS 温度传感器。


湿度传感器是检测环境相对湿度的传感器。其工作原理是通过测量空气中被测点的温、湿度值,转换成对应的电信号输出。传统湿度测量常采用伸缩法、蒸发法、露点法,但传统的湿度计体积较为庞大,甚至存在一些机械部件,因此很难与现代电子设备进行接口互联。而 MEMS 技术的发展则极大地促进了湿度传感器的微型化和智能化。


目前 MEMS 湿度传感器按工作原理大致可分为:电容型、电阻型、谐振式、热导式、电磁波法等。其中电容型是目前应用最多的一种传感器,大概占 MEMS 湿度传感器的 75%左右。


感湿介质包括:

  • 多孔物,如多孔硅、多孔三氧化二铝、多孔氮化硅、多孔二氧化硅等;

  • 高分子材料,如聚苯乙烯、聚酰亚胺、酸醋酸纤维等;

  • 空气。


湿度传感器一方面和温度传感器一样,基于 IC 工艺,其尺寸也可达到毫米量级,因此专门生产 MEMS 湿度传感器的厂商较少,有 MEMS 传感器技术的厂商也主要专注于惯性传感器、压力传感器等。另一方面,湿度传感器也常与温度传感器集成在一个微芯片上,由此可以精确测量露点,使其不会因为湿度传感器和温度传感器之间的温度梯度而导致误差。


湿度传感器在工业控制、气象、农业、矿山检测等行业中得到了广泛的应用。目前 MEMS 温度/湿度传感器实际应用不如 MEMS 惯性传感器广泛,但 MEMS 温度/湿度传感器未来将向智能手机、平板装置、笔记本电脑等可携式产品延伸,成为消费电子类产品硬件差异化的重要部件。


气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等,将其转换为可以被操作人员、仪器仪表、计算机等利用的声、电、光或者数字信息,相关装置通常被安装于监测系统探测头内的监测系统中,用于现场采集空气数据。气体传感器是气体检测系统的核心, 对气体检测系统起着决定性的作用。


气体检测原理大致有:

  • 光学型:根据气体自身的光学特性,可采用非色散红外传感器NDIR 、傅立叶变换红外( FTIR )、 化 学 发 光 ( chemiluminescence )和微色谱法(microchromatography)法等;

  • 敏感膜吸附型,根据气体敏感膜的化学吸附机理,采用电导变化型、悬臂梁型或声表面波型;

  • 催化燃烧型,易燃易爆气体,采用催化燃烧式检测;

  • 离子迁移谱型,依据离子迁移谱原理改进的高场不对称波形离子迁移谱(FAMS)技术;

  • 金属氧化物半导体型(MOS 技术);

  • 电化学技术型。

以往的气体检测仪器较为笨重和昂贵,而MEMS 技术可使以上部分技术产品(如 MOS 技术、IR 技术、色谱法技术等)实现微型化。


气体传感器的下游应用领域众多,主要包括智能家居、汽车电子、消费电子、可穿戴设备、医疗、工业过程、环境监测等行业,终端客户覆盖行业类型广泛、种类繁杂、分散度高,终端产品的复杂性、个性化程度高。随着互联网与物联网的高速发展,气体传感器的下游领域如智能家居、汽车电子、智慧医疗等智慧生活产业正处于高速发展期,显现出良好发展前景。


图7 气体传感器主要用途


光学传感器


光学智能传感器按照感测波段的不同分为可见光传感器、红外光传感器和紫外光传感器等,其中可见光图像传感器占据了最大的市场份额。


可见光传感器是将光作为探测对象,利用光电效应将光能量的变化转换为电信号输出的器件,主要包括化合物可见光传感器、硅 PN 结型可见光传感器和硅阵列型可见光传感器(即图像传感器)。其中化合物可见光传感器和硅 PN 结型可见光传感器主要用于手机、电脑、仪表盘等显示设备的光线感知和自动调节,国内制造技术已较为成熟,年需求量在数亿只左右。


图8 可见光传感器主要种类


图像传感器是将光信号转化为电信号的装置,是摄像头中十分重要的部件,一般可以分为CCD(电荷耦合器件)和 CMOS(互补金属氧化物半导体)两大类。其中,CCD 图像传感器具备成像质量高、灵敏度高、噪声低、动态范围大的优势,但由于成本较高、功耗大且读取速度较慢,主要用于航空航天、天文观测、扫描仪等成像质量需求较高的领域,主要生产单位为相关科研院所;而 CMOS 图像传感器则由于具有集成度高、标准化程度高、功耗低、成本低、体积小、图像信息可随机读取等一系列优点,市场份额占比逐年提升 。


图9  图像传感器分类


CMOS 图像传感器是模拟电路和数字电路的集成,主要由微透镜、彩色滤光片(CF)、光电二极管(PD)、像素设计四个组件构成。


图10 CMOS 图像传感器结构


CMOS 图像传感器成本仅为 CCD 图像传感器的 1/3 左右、功耗低且读取方式简单,广泛应用于手机摄像头、数码相机、AR/VR 设备、无人机、先进驾驶辅助系统、机器人视觉等领域。


红外光传感器具有精度高、检测范围宽、不易受外界环境干扰等优点,近年来随着技术的提高和成本的大幅降低,在工业检测、智能家居、节能控制、气体检测、移动智能终端、火灾监控、家庭安防等商业应用的需求迅速提升,新兴的自动驾驶和商用无人机技术扩大了非制冷红外成像的市场需求。 红外传感器包括单元红外传感器、阵列红外传感器和焦平面红外传感器三大类别。


图11 红外传感器分类


此外,还有紫外光传感器,它可以利用光敏元件通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号。最早的紫外线传感器是基于单纯的硅,但根据美国国家标准与技术研究院的发现,单纯的硅二极管也响应可见光,形成本来不需要的电信号,导致精度不高。GaN 的紫外线传感器,其精度远远高于单晶硅的精度,目前已成为最常用的紫外线传感器材料。


流量传感器


流量传感器用于监测流速,是流量仪表的重要装置之一。根据结构型式,流量传感器可分为叶片(翼板)式、量芯式 、热线式、热膜式、卡门涡旋式等几种。随着技术发展,也出现了超声流量传感器、电磁流量传感器和水流量传感器等新型流量传感器。流量传感器常应用在钢铁、冶金、石化、煤化、造纸、食品、市政工程、能源及水资源管理、污水排放等领域。


图12 流量传感器主要产品类型


其它被动式传感设备


摄像头具有静态图像捕捉、视频摄像等功能,是重要的成像设备。主要由镜头、马达、滤光片、图像传感器、图像信号处理器(ISP Image Signal Process)等部分组成。工作原理大致为:景象通过镜头生成光学图像投射至图像传感器并被转为电信号,电信号经过模拟数字(A/D Analog/Digital)转换并送至 ISP 芯片进行处理,最后通过系统处理由显示器显示。镜头、图像传感器和图像信号处理器是关键部件。


随着 AI 算法在摄像头领域的应用深入,摄像头的智能化程度得到了显著提升。目前,智能摄像头在车载和安防监控等领域应用广泛。


在 AI 技术的赋能下,车载摄像头芯片算力不断提升,可高效处理海量异构数据,实现车载场景的智能化。车载摄像头通常分为单目摄像头、双目摄像头、广角摄像头,安装在汽车的前视、环视/全景、后视、侧视、内置等各个部位。相应地,不同类型的车载摄像头的功能和要求安装的最少数量也有所差异。


图13 车载摄像头的位置布局


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