新型傳感器及應(yīng)用——MEMS傳感器
[導(dǎo)讀]當(dāng)今的趨勢，無論是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能手機(jī)的熱潮、移動網(wǎng)絡(luò)的崛起，都和傳感器有著密切的關(guān)系。傳感器已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ?，存在于每個角落，大到汽車、工業(yè)設(shè)備，小到手機(jī)，都大量使用了各種傳感器——這正符合
當(dāng)今的趨勢，無論是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、智能手機(jī)的熱潮、移動網(wǎng)絡(luò)的崛起，都和傳感器有著密切的關(guān)系。傳感器已經(jīng)滲透到我們?nèi)粘Ｉ睿嬖谟诿總€角落，大到汽車、工業(yè)設(shè)備，小到手機(jī)，都大量使用了各種傳感器——這正符合了智能化的潮流，而傳感器則是其中最基本也是最重要的一環(huán)。
傳感器種類多樣，因此根據(jù)用途、原理都有特定的分類。例如接近傳感器、 霍爾傳感器、溫度/壓力傳感器、電流傳感器等等。而傳感技術(shù)在近年來也得到了長足的發(fā)展，MEMS 就是最具代表性的例子，MEMS技術(shù)讓我們能夠在有限的空間內(nèi)最大限度地發(fā)揮傳感器的功能，廣泛用于多種場合。
那么什么是MEMS？在維基百科中，這項(xiàng)技術(shù)的解釋是：微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。比它更小的，在納米范圍的類似的技術(shù)被稱為納機(jī)電系統(tǒng)。
完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS傳感器能夠?qū)⑿畔⒌墨@取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。它還能夠使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個芯片上，從而降低成本，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
兩大應(yīng)用領(lǐng)域推動MEMS傳感技術(shù)應(yīng)用
MEMS傳感器目前主要應(yīng)用在汽車和消費(fèi)電子兩大領(lǐng)域。
消費(fèi)電子領(lǐng)域中，任天堂公司曾在Wii無線游戲機(jī)中使用 MEMS器件，允許使用者通過運(yùn)動和點(diǎn)擊互相溝通和在屏幕上處理一些需求，其原理是將運(yùn)動（例如揮舞胳膊模仿網(wǎng)球球拍的運(yùn)動）轉(zhuǎn)化為屏幕上的游戲行為。早前，任天堂和ADI宣布將ADI的ADXL330 iMEMS加速度計整合到任天堂的Wii游戲控制臺中。加速度計幫助任天堂把視頻游戲提升到一個新的水平。
目前大多數(shù)手機(jī)都含有MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)重力加速計和陀螺儀的功能，例如被用在iPhone中。通過對旋轉(zhuǎn)時運(yùn)動的感知，iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示，以便消費(fèi)者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數(shù)字圖片。
在汽車應(yīng)用中，用到越來越多的MEMS傳感器。包括安全氣囊中的汽車安全氣囊感應(yīng)器、懸架控制、翻滾等。另外還包括汽車MEMS壓力傳感器和輪胎氣壓自動監(jiān)測系統(tǒng)，MEMS壓力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設(shè)一小塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、溫度、轉(zhuǎn)速和其它一些數(shù)據(jù)，并用特定的代碼發(fā)送出來。另外，汽車導(dǎo)航中的GPS信號補(bǔ)償、氣缸內(nèi)壓力測量等等大多數(shù)汽車子系統(tǒng)中。
iPhone 4上的MEMS 傳感器
iPhone4 上用到的MEMS 傳感器大致一下幾種。影像傳感器：簡單說就是相機(jī)鏡頭，由于只牽涉到微光學(xué)與微電子，沒有機(jī)械成份在里頭，即便加入馬達(dá)、機(jī)械驅(qū)動的鏡頭。磁阻傳感器：簡單講就是感測地磁。感應(yīng)地磁就是指南針原理，將這種地磁感應(yīng)電子化、數(shù)字化，就稱為數(shù)字指南針（DigitalCompass）。老實(shí)說，數(shù)字指南針技術(shù)比較偏玩具性，因?yàn)橛脕砀袦y地磁的磁阻傳感器，很容易受環(huán)境影響（如高壓電塔旁、馬達(dá)旁），必須時時校正才有用。磁阻傳感器目前沒有被視為熱門的MEMS組件，有些MEMS組件會追加整合磁阻感測能力。聲波傳感器：學(xué)名聲波傳感器，俗名麥克風(fēng)。是的，iPhone4為了強(qiáng)化聲音質(zhì)量，使用2組麥克風(fēng)與相關(guān)運(yùn)算來達(dá)到降噪（降低噪音）的效果，這種技術(shù)稱為數(shù)組麥克風(fēng) （ArrayMIC），事實(shí)上早在Apple實(shí)行之前，2004年就已經(jīng)在PC上提出過，差別是蘋果用于手機(jī)，Wintel用于PC。麥克風(fēng)需要微型化嗎？相當(dāng)需要。且使用一個以上的麥克風(fēng)，麥克風(fēng)的體積縮小需求就更迫切，麥克風(fēng)也牽涉到機(jī)械（聲波會使微型機(jī)械振動），并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電子信號，因此微型化的麥克風(fēng)，是個不折不扣的MEMS傳感器。加速度傳感器：俗稱加速規(guī)、G-Sensor，可以感應(yīng)物體的加速度性。事實(shí)上加速度傳感器的實(shí)現(xiàn)方式也是許多種，MEMS只是手法之一，用MEMS實(shí)現(xiàn)加速度傳感器確實(shí)是目前的趨勢。加速度傳感器一般有“X、Y兩軸”與“X、Y、Z三軸”兩種，兩軸多用于車、船等平面移動為多，三軸多用于飛彈、飛機(jī)等飛行物。而不用多說，Wii遙控器也是用三軸，iPhone可以感應(yīng)實(shí)體翻轉(zhuǎn)而自動對應(yīng)翻轉(zhuǎn)畫面，靠的就是這個傳感器。角加速度傳感器：iPhone4確實(shí)是率先使用陀螺儀的手機(jī)。更簡單講就是陀螺儀，陀螺儀實(shí)現(xiàn)技術(shù)有機(jī)械式與光學(xué)（紅外線、雷射）式，第六項(xiàng)的加速度傳感器比較能感測平移性，但對于物體有個軸心，進(jìn)行角度性的移動， 則其感應(yīng)效果不如陀螺儀好。
廠商競逐MEMS市場
根據(jù) iSuppli的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，2010年前10大MEMS廠商在消費(fèi)電子和行動裝置領(lǐng)域的營收排名依序?yàn)椋阂夥ò雽?dǎo)體、安華高（Avago）、樓氏電子（Knowles）、德州儀器（TI）、博世（Bosch Sensortec）、應(yīng)美盛（InvenSense）、Panasonic、TriQuint、Kionix和愛普生（Epson Toyocom）。
除了知名的半導(dǎo)體廠商如意法半導(dǎo)體、德州儀器、ADI 以外，元器件廠商中也有關(guān)注MEMS方案的廠商，例如愛普科斯。
TDK旗下的TDK-EPC（原愛普科斯）前兩年就開始在MEMS市場有動作，包括展開了多個收購 ，擴(kuò) 展 了 其MEMS相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品領(lǐng)域。產(chǎn)品也包括可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)（RFMEMS）、硅麥克風(fēng)（MEMS麥克風(fēng)）、壓阻式壓力傳感器。
愛普科斯收購Technitrol公司后，由于Technitrol的 MEMS麥克風(fēng)專有技術(shù)和一系列專利技術(shù)可與愛普科斯的封裝工結(jié)合，因此，MEMS麥克風(fēng)也成為愛普科斯擴(kuò)展手機(jī)產(chǎn)品的合理選擇。
關(guān)于MEMS 傳感器的封裝
封裝曾是MEMS技術(shù)的難點(diǎn)。不過，生產(chǎn)工藝的提升使得產(chǎn)品良率有很大提升，現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品的價格已經(jīng)下降了很多，技術(shù)難題也逐漸得到了解決。
傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。隨著MEMS封裝技術(shù)取得了很大進(jìn)展，出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術(shù)，大多數(shù)研究都集中在特殊應(yīng)用的不同封裝工藝，但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設(shè)計，通?？蓪⑵浞譃?個封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。
從傳感器的應(yīng)用來說，有些MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進(jìn)行相互影響。例如，在壓阻傳感器內(nèi)，封裝應(yīng)力就會影響傳感器的輸出。當(dāng)封裝中不同材料混合使用時，它們的膨脹和收縮系數(shù)不同，因此，這些變化引起的應(yīng)力就附加在傳感器的壓力值中。在光學(xué)MEMS器件中，由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產(chǎn)生的封裝應(yīng)力會使光器件和光纖之間的對準(zhǔn)發(fā)生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中，封裝需要和MEMS芯片隔離以優(yōu)化性能（見下圖）。[!--empirenews.page--]
根據(jù)生產(chǎn)的MEMS器件類型的不同，電子性能的考慮可以決定所選封裝類型的策略。例如，電容傳感MEMS器件會產(chǎn)生非常小、并可以被電子器件所識別的電荷，在設(shè)計時就需要特別注意電路和封裝中的信號完整性問題。通常，大多數(shù)基于MEMS的系統(tǒng)方案都對MEMS芯片提供相應(yīng)的電路補(bǔ)償、控制和信號處理單元。因此，一個MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一個封裝內(nèi)。同樣，電路也可以是集成了MEMS器件的單芯片、單封裝。
MEMS傳感器：新應(yīng)用層出不窮
除了以上提到的部分常見的應(yīng)用外，MEMS還在解決一些全球問題上發(fā)揮了重要作用。例如，MEMS傳感器正在用于能源領(lǐng)域，幫助尋找和開發(fā)新的能源：地震檢波器用于勘探石油和天然氣，慣性傳感器用于隨鉆測量，通過改善工業(yè)流程、高效住宅取暖和精確計費(fèi)系統(tǒng)來充分利用當(dāng)前的能源。
MEMS也在幫助解決其它社會問題，如老齡化和肥胖，還可以提供針對老人的侵入性較小的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)成本適當(dāng)?shù)?、連續(xù)性的診斷，以更好和更舒適地給藥。
MEMS已進(jìn)入我們的生活，從技術(shù)到醫(yī)藥到健康無所不在，2011年這種趨勢必將更加明顯。
傳感器種類多樣，因此根據(jù)用途、原理都有特定的分類。例如接近傳感器、 霍爾傳感器、溫度/壓力傳感器、電流傳感器等等。而傳感技術(shù)在近年來也得到了長足的發(fā)展，MEMS 就是最具代表性的例子，MEMS技術(shù)讓我們能夠在有限的空間內(nèi)最大限度地發(fā)揮傳感器的功能，廣泛用于多種場合。
那么什么是MEMS？在維基百科中，這項(xiàng)技術(shù)的解釋是：微機(jī)電系統(tǒng)（Microelectromechanical Systems，MEMS）是將微電子技術(shù)與機(jī)械工程融合到一起的一種工業(yè)技術(shù)，它的操作范圍在微米范圍內(nèi)。比它更小的，在納米范圍的類似的技術(shù)被稱為納機(jī)電系統(tǒng)。
完整的MEMS是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng)。MEMS傳感器能夠?qū)⑿畔⒌墨@取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動化、智能化和可靠性水平。它還能夠使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個芯片上，從而降低成本，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
兩大應(yīng)用領(lǐng)域推動MEMS傳感技術(shù)應(yīng)用
MEMS傳感器目前主要應(yīng)用在汽車和消費(fèi)電子兩大領(lǐng)域。
消費(fèi)電子領(lǐng)域中，任天堂公司曾在Wii無線游戲機(jī)中使用 MEMS器件，允許使用者通過運(yùn)動和點(diǎn)擊互相溝通和在屏幕上處理一些需求，其原理是將運(yùn)動（例如揮舞胳膊模仿網(wǎng)球球拍的運(yùn)動）轉(zhuǎn)化為屏幕上的游戲行為。早前，任天堂和ADI宣布將ADI的ADXL330 iMEMS加速度計整合到任天堂的Wii游戲控制臺中。加速度計幫助任天堂把視頻游戲提升到一個新的水平。
目前大多數(shù)手機(jī)都含有MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)重力加速計和陀螺儀的功能，例如被用在iPhone中。通過對旋轉(zhuǎn)時運(yùn)動的感知，iPhone可以自動地改變橫豎屏顯示，以便消費(fèi)者能夠以合適的水平和垂直視角看到完整的頁面或者數(shù)字圖片。
在汽車應(yīng)用中，用到越來越多的MEMS傳感器。包括安全氣囊中的汽車安全氣囊感應(yīng)器、懸架控制、翻滾等。另外還包括汽車MEMS壓力傳感器和輪胎氣壓自動監(jiān)測系統(tǒng)，MEMS壓力傳感器適合于任何類型的輪胎，在輪胎胎壁埋設(shè)一小塊感壓力敏芯片，自動測量輪胎氣壓、溫度、轉(zhuǎn)速和其它一些數(shù)據(jù)，并用特定的代碼發(fā)送出來。另外，汽車導(dǎo)航中的GPS信號補(bǔ)償、氣缸內(nèi)壓力測量等等大多數(shù)汽車子系統(tǒng)中。
iPhone 4上的MEMS 傳感器
iPhone4 上用到的MEMS 傳感器大致一下幾種。影像傳感器：簡單說就是相機(jī)鏡頭，由于只牽涉到微光學(xué)與微電子，沒有機(jī)械成份在里頭，即便加入馬達(dá)、機(jī)械驅(qū)動的鏡頭。磁阻傳感器：簡單講就是感測地磁。感應(yīng)地磁就是指南針原理，將這種地磁感應(yīng)電子化、數(shù)字化，就稱為數(shù)字指南針（DigitalCompass）。老實(shí)說，數(shù)字指南針技術(shù)比較偏玩具性，因?yàn)橛脕砀袦y地磁的磁阻傳感器，很容易受環(huán)境影響（如高壓電塔旁、馬達(dá)旁），必須時時校正才有用。磁阻傳感器目前沒有被視為熱門的MEMS組件，有些MEMS組件會追加整合磁阻感測能力。聲波傳感器：學(xué)名聲波傳感器，俗名麥克風(fēng)。是的，iPhone4為了強(qiáng)化聲音質(zhì)量，使用2組麥克風(fēng)與相關(guān)運(yùn)算來達(dá)到降噪（降低噪音）的效果，這種技術(shù)稱為數(shù)組麥克風(fēng) （ArrayMIC），事實(shí)上早在Apple實(shí)行之前，2004年就已經(jīng)在PC上提出過，差別是蘋果用于手機(jī)，Wintel用于PC。麥克風(fēng)需要微型化嗎？相當(dāng)需要。且使用一個以上的麥克風(fēng)，麥克風(fēng)的體積縮小需求就更迫切，麥克風(fēng)也牽涉到機(jī)械（聲波會使微型機(jī)械振動），并將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電子信號，因此微型化的麥克風(fēng)，是個不折不扣的MEMS傳感器。加速度傳感器：俗稱加速規(guī)、G-Sensor，可以感應(yīng)物體的加速度性。事實(shí)上加速度傳感器的實(shí)現(xiàn)方式也是許多種，MEMS只是手法之一，用MEMS實(shí)現(xiàn)加速度傳感器確實(shí)是目前的趨勢。加速度傳感器一般有“X、Y兩軸”與“X、Y、Z三軸”兩種，兩軸多用于車、船等平面移動為多，三軸多用于飛彈、飛機(jī)等飛行物。而不用多說，Wii遙控器也是用三軸，iPhone可以感應(yīng)實(shí)體翻轉(zhuǎn)而自動對應(yīng)翻轉(zhuǎn)畫面，靠的就是這個傳感器。角加速度傳感器：iPhone4確實(shí)是率先使用陀螺儀的手機(jī)。更簡單講就是陀螺儀，陀螺儀實(shí)現(xiàn)技術(shù)有機(jī)械式與光學(xué)（紅外線、雷射）式，第六項(xiàng)的加速度傳感器比較能感測平移性，但對于物體有個軸心，進(jìn)行角度性的移動， 則其感應(yīng)效果不如陀螺儀好。
廠商競逐MEMS市場
根據(jù) iSuppli的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，2010年前10大MEMS廠商在消費(fèi)電子和行動裝置領(lǐng)域的營收排名依序?yàn)椋阂夥ò雽?dǎo)體、安華高（Avago）、樓氏電子（Knowles）、德州儀器（TI）、博世（Bosch Sensortec）、應(yīng)美盛（InvenSense）、Panasonic、TriQuint、Kionix和愛普生（Epson Toyocom）。
除了知名的半導(dǎo)體廠商如意法半導(dǎo)體、德州儀器、ADI 以外，元器件廠商中也有關(guān)注MEMS方案的廠商，例如愛普科斯。
TDK旗下的TDK-EPC（原愛普科斯）前兩年就開始在MEMS市場有動作，包括展開了多個收購 ，擴(kuò) 展 了 其MEMS相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品領(lǐng)域。產(chǎn)品也包括可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)（RFMEMS）、硅麥克風(fēng)（MEMS麥克風(fēng)）、壓阻式壓力傳感器。
愛普科斯收購Technitrol公司后，由于Technitrol的 MEMS麥克風(fēng)專有技術(shù)和一系列專利技術(shù)可與愛普科斯的封裝工結(jié)合，因此，MEMS麥克風(fēng)也成為愛普科斯擴(kuò)展手機(jī)產(chǎn)品的合理選擇。
關(guān)于MEMS 傳感器的封裝
封裝曾是MEMS技術(shù)的難點(diǎn)。不過，生產(chǎn)工藝的提升使得產(chǎn)品良率有很大提升，現(xiàn)在MEMS產(chǎn)品的價格已經(jīng)下降了很多，技術(shù)難題也逐漸得到了解決。
傳統(tǒng)的MEMS封裝主要有金屬封裝、陶瓷封裝和塑料封裝三種形式。隨著MEMS封裝技術(shù)取得了很大進(jìn)展，出現(xiàn)了眾多的MEMS封裝技術(shù)，大多數(shù)研究都集中在特殊應(yīng)用的不同封裝工藝，但又開發(fā)了一些較通用、較完善的封裝設(shè)計，通?？蓪⑵浞譃?個封裝層次：芯片級封裝、圓片級封裝、系統(tǒng)級封裝。
從傳感器的應(yīng)用來說，有些MEMS器件的封裝必須能夠和環(huán)境進(jìn)行相互影響。例如，在壓阻傳感器內(nèi)，封裝應(yīng)力就會影響傳感器的輸出。當(dāng)封裝中不同材料混合使用時，它們的膨脹和收縮系數(shù)不同，因此，這些變化引起的應(yīng)力就附加在傳感器的壓力值中。在光學(xué)MEMS器件中，由于沖擊、震動或熱膨脹等原因而產(chǎn)生的封裝應(yīng)力會使光器件和光纖之間的對準(zhǔn)發(fā)生偏移。在高精度加速度計和陀螺儀中，封裝需要和MEMS芯片隔離以優(yōu)化性能（見下圖）。[!--empirenews.page--]
根據(jù)生產(chǎn)的MEMS器件類型的不同，電子性能的考慮可以決定所選封裝類型的策略。例如，電容傳感MEMS器件會產(chǎn)生非常小、并可以被電子器件所識別的電荷，在設(shè)計時就需要特別注意電路和封裝中的信號完整性問題。通常，大多數(shù)基于MEMS的系統(tǒng)方案都對MEMS芯片提供相應(yīng)的電路補(bǔ)償、控制和信號處理單元。因此，一個MEMS芯片和定制ASIC芯片可以被集成在同一個封裝內(nèi)。同樣，電路也可以是集成了MEMS器件的單芯片、單封裝。
MEMS傳感器：新應(yīng)用層出不窮
除了以上提到的部分常見的應(yīng)用外，MEMS還在解決一些全球問題上發(fā)揮了重要作用。例如，MEMS傳感器正在用于能源領(lǐng)域，幫助尋找和開發(fā)新的能源：地震檢波器用于勘探石油和天然氣，慣性傳感器用于隨鉆測量，通過改善工業(yè)流程、高效住宅取暖和精確計費(fèi)系統(tǒng)來充分利用當(dāng)前的能源。
MEMS也在幫助解決其它社會問題，如老齡化和肥胖，還可以提供針對老人的侵入性較小的監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)成本適當(dāng)?shù)?、連續(xù)性的診斷，以更好和更舒適地給藥。
MEMS已進(jìn)入我們的生活，從技術(shù)到醫(yī)藥到健康無所不在，2011年這種趨勢必將更加明顯。
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