MEMS傳感器的應用及分類

大家好，我是【廣州工控傳感★科技】MEMS傳感器事業部，張工。

MEMS傳感器作為獲取信息的關鍵器件，在推動各種傳感設備小型化方面發揮著巨大作用，并逐漸取代傳統的機械傳感器，如智能手機、健身手環、打印機、汽車、無人機和VR/AR耳機等。幾乎所有最近的電子產品都使用MEMS傳感器。下面就為大家介紹一下MEMS傳感器的應用和分類。

MEMS傳感器

這些MEMS傳感器中的每一個都有多種細分方法。例如，加速度計按被測質量的運動方式分類，包括角振動型和直線振動型加速度計等，種類很多。常見的MEMS傳感器包括壓力傳感器、加速度傳感器、微機陀螺儀、慣性傳感器、MEMS硅麥克風等；MEMS傳感器的品種多達數萬種，不同MEMS之間的參數很多，沒有完全標準的工藝。

按應用劃分的MEMS傳感器
MEMS傳感器有很多種，主要的MEMS傳感器包括運動傳感器、壓力、麥克風、環境和光傳感器。
1. MEMS運動傳感器
MEMS運動傳感器主要包括加速度計、陀螺儀和磁力計。加速度計和陀螺儀可以集成到六軸慣性傳感器中；磁力計和加速度計可以集成到電子羅盤中，加速度計、陀螺儀和磁力計可以集成為一個9軸傳感器。
MEMS陀螺儀通過陀螺儀的核心原理科里奧利力測量角速度；MEMS加速度計可以感應任何方向的加速度。MEMS 磁力計可以通過測量磁場的強度和方向來定位設備的方向。
2. MEMS麥克風
MEMS麥克風廣泛應用于消費電子、汽車、醫療等領域。今天幾乎每部智能手機都至少使用一個MEMS麥克風，高端智能手機甚至使用三個麥克風來進行語音捕捉、噪聲消除和改進的語音識別，而iPhone6S已經使用了四個MEMS麥克風。 在物聯網時代，大量的物聯網設備也會使用MEMS麥克風。Apple iPhone5S和5C使用兩個 Knowles和一個MEMS麥克風。
3. MSME壓力傳感器
壓力傳感器主要用于檢測壓力，按量程可分為低壓、中壓和高壓壓力傳感器。 MEMS壓力傳感器屬于低壓傳感器，主要檢測原理是硅電容和硅壓阻。
4. MEMS環境傳感器
環境傳感器可細分為氣體、溫度和濕度傳感器等，MSME溫度傳感器可用于任何需要溫度檢測的地方，MEMS濕度傳感器已廣泛應用于工控、氣象、農業、礦山探測等行業。 MEMS氣體傳感器主要用于檢測目標氣體的成分和濃度。
5. MEMS生物傳感器
MEMS生物傳感器目前處于開發的早期階段，MEMS生物傳感器是一種利用生物分子檢測生物反應信息的裝置。被列為新世紀醫學檢測五項技術之一。未來，MEMS生物傳感器將在醫藥、食品工業、環境監測等領域擁有廣闊的發展空間。

MEMS傳感器

MEMS傳感器的典型應用：

隨著電子技術的發展，MEMS的應用領域越來越廣泛，從最早的工業和軍用航空應用到普通民用和消費市場。在智能手機上，MEMS傳感器在聲音表現、場景切換、手勢識別、方位定位、溫度/壓力/濕度傳感器等方面提供了廣泛的應用；和車輛穩定性控制，以提高車輛的性能；在醫療領域，通過MEMS傳感器的開發，成功研制出微型胰島素注射泵，心臟搭橋移植和人工細胞組織成為實用化、實用化的治療手段； 在可穿戴應用中，MEMS傳感器可以實現運動追蹤、心率測量等。以下為詳細介紹：
1.可穿戴設備應用
以小米手環為例，ADI的MEMS加速度和心率傳感器用于監測運動和心率。除了Apple Watch內部的 MEMS 加速度計、陀螺儀、MEMS 麥克風和脈沖傳感器。
智能可穿戴設備是目前最熱門的新興產品，其所使用的傳感元件通常在尺寸、功耗、傳感靈敏度或元件可靠性等方面都面臨更嚴格的要求。 最成功的組件案例是慣性傳感器和 MEMS 麥克風。 許多知名廠商，包括谷歌、蘋果、微軟、摩托羅拉等，都將這兩個組件集成到自己的可穿戴設備產品中，成為自己的產品。 傳感器是標準配置。

智能穿戴設備的兩大功能項是量化自我和便攜式環境安全監測。所需的感知功能大致可以包括四類：活動感知、圖像感知、環境感知和生理感知。MEMS元件在可穿戴設備中的應用要求是使系統實現小型化、低功耗、高性能和多功能集成。

健身和健康監測是MEMS傳感器在智能可穿戴設備中的代表性應用。計步器或計步器使用三軸MEMS加速度傳感器。 在某些情況下，計步器的傳感器可以準確測量步行和跑步過程中作用在系統上的加速度。 通過處理加速度數據，計算步數。監視器顯示用戶已采取的步數和速度，以及身體運動過程中燃燒的卡路里。

2. 虛擬現實應用

VR設備需要精確測量頭部旋轉的速度、角度和距離。使用MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計進行測量是重要的解決方案之一，幾乎已經成為VR設備的標準配置。 Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR 都使用 MEMS 加速度計和陀螺儀，未來的 VR 設備也可能使用MEMS眼球追蹤技術。

3.無人機應用

在無人機飛行姿態控制技術方面，MEMS傳感器還有發揮空間，結合加速度計和陀螺儀，可以計算出角度變化，確定位置和飛行姿態。MEMS傳感器可以在各種惡劣條件下工作，同時獲得高精度輸出。MEMS加速度計和陀螺儀在無人機上的應用可以說是大放異彩。

4. 車聯網應用
車聯網是物聯網發展的主要領域，智能汽車是車聯網的核心，發展迅猛。 智能汽車時代，主動安全技術成為一個新興的關注領域，需要對現有的主動安全系統進行改進，例如側翻和穩定控制（ESC），這需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感知 測量身體姿勢。

語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風將迎來新的發展機遇。 MEMS傳感器在汽車領域也有很多應用，包括安全氣囊（正面碰撞安全氣囊的高g加速度傳感器和側面安全氣囊的壓力傳感器）、汽車發動機（用于檢測進氣量的進氣歧管）絕對壓力傳感器和流量傳感器）等。

5.自動駕駛應用
自動駕駛技術的興起進一步推動MEMS傳感器進入汽車。
GPS接收器雖然可以計算自己的位置和速度，但在GPS信號較差的地方（地下車庫、隧道），當信號受到干擾時，會影響汽車的導航，這對自動駕駛來說是一個致命的缺陷。 使用MEMS陀螺儀和加速度計獲取速度和位置（角速度和角位置），將車輛的任何細微運動和傾斜姿態轉換為數字信號并通過總線傳輸到車載計算機。 即使在最快的車速下，MEMS 的精度和響應速度也能適應。得益于硅體微加工、晶圓鍵合等技術的發展，精度已升至0.01。
在高端汽車中，大約使用25到40個MEMS傳感器，汽車越好，使用的MEMS就越多。BMW740i 中有70多個 MEMS。MEMS傳感器可以滿足惡劣的汽車環境、高可靠性、準確度和低成本的要求。其應用方向和市場需求包括車輛防抱死制動系統（ABS）、電子車身穩定程序（ESP）、電控懸架（ECS）、電子駐車制動（EPB）、坡道起步輔助（HAS）、胎壓監測（ EPMS)、發動機防抖、車輛傾角測量和車載心跳檢測等。
目前，壓力傳感器、加速度計、陀螺儀和流量傳感器共占汽車MEMS系統的 99%。

6、工業應用

MEMS使傳感器小型化、智能化，MEMS傳感器在智能工業時代將具有巨大潛力。 MEMS溫濕度傳感器可用于檢測環境條件，MEMS加速度計可用于監測工業設備的振動和轉速。高精度MEMS加速度計和陀螺儀可以為工業機器人的導航和旋轉提供精確的位置信息。

7、航天設備應用

MEMS傳感器應用于航空航天領域，需要適應不同的空間環境，包括：真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場和引力場等，以及 航天器某些系統工作時不時或在空間環境作用下產生的誘發環境，如軌道控制推進器點火、太陽能電池翼展開所引起的振動和沖擊環境；航天器上的磁性材料和電流回路在空間磁場中運動產生的感應磁場； 由有機材料沉積引起的分子污染逃逸到航天器的其他部分等。
因此，航空航天傳感器主要分為狀態傳感器和環境傳感器。前者包括各種運動部件的實時位置傳感器，如襟翼、副翼位置、噴管尺寸、油門位置、減速板位置、起落架收放位置等，飛行器狀態傳感器，如迎角、側滑角傳感器 、飛機姿態傳感器等，各種參數如液壓、油壓、發動機振動、潤滑油金屬屑、各種耗材如剩余燃油、消耗速度等，還有結冰傳感器、火警傳感器、限位 適用于各種冗余系統的傳感器、過載傳感器、壽命傳感器和自動切換傳感器。

MEMS傳感器在航空航天領域的主要用途有五種：1、提供航天器的工作信息，起到故障診斷的作用；2、判斷各子系統之間工作的協調性，驗證設計方案；3. 提供全系統自檢 4. 提供各子系統及整機的內部測試參數，驗證設計的正確性。⑤監測飛行器內外環境，為飛行員和航天員提供必要的生活條件，保證飛行參數正常。

8、在生物醫藥行業的應用

MEMS傳感器技術的突破也為醫療應用帶來了前所未有的便利和體驗。體外診斷、藥物研究、患者監測、藥物輸送和植入式醫療器械都在不斷發展，系統集成商需要創新技術來快速提高產品性能、降低產品成本、縮小產品尺寸。
BioMEMS技術為所有這些領域帶來了加速度計、壓力傳感器、流量傳感器和微型泵等微型設備，這些設備具有改進的傳感和驅動功能。測壓傳感器應用在醫學上被稱為醫療測壓傳感器，它們都必須高度準確且封裝緊湊，以便于攜帶，尤其是當設備直接連接到患者時。植入式傳感器應該體積小、重量輕且與身體兼容，同時需要很少的功率。 更重要的是，它們不會隨著時間的推移而衰減。

電壓電聚合物傳感器體積小，可靠性高，無需外接電源，可長時間連續工作。此類傳感器可用于監測患者活動的起搏器，并可通過植入式傳感器實時監測心率變化。例如，由于腹部有大動脈瘤，需要切除一段脆弱的動脈并用合成管狀器官代替。 在這種情況下，可以在手術過程中植入傳感器以監測手術部位的壓力泄露。

生物傳感器對生物物質敏感，并將其濃度轉化為電信號進行檢測。由 適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等）和信號放大裝置組成的分析工具。

以上就是關于mems傳感器的應用和分類的知識介紹，物聯網的發展大大增加了對傳感器產品的需求，重點逐漸轉移到技術含量更高的MEMS傳感器領域。