时下最火的MEMS传感器是神马?

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MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem),微机电系统是指可批量制作的,将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。你可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料,用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的技术。所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。

  优点:相对于传统的机械,它们的尺寸更小,最大的不超过一个厘米,甚至仅仅为几个微米,其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料,电气性能优良,硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度与铝类似,热传导率接近钼和钨。采用与集成电路(IC)类似的生成技术,可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺,进行大批量、低成本生产,使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

  传统的驻极体麦克风:

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  如果前面的文字理解不了,从这上面这个传统麦克和MEMS麦克风的图片可以看出来了,之前的七八种机械配件就全部集成在了一块很小的MEMS传感器芯片了了。所以这个体积是非常小,重量也非常轻。由于是芯片制造,一致性好、功耗低,更易于批量生产。但是对技术的要求那就非常高了。

  MEMS传感器的出现极大的满足了大家对产品小体积、高性能的要求。

MEMS传感器的分类

  MEMS传感器的种类繁多,分类方法也很多。下面是按照工作原理分类如下:

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  其中每一种MEMS传感器又有很多种细分方法。如加速度计,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等,种类繁多,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硅麦克风等等; MEMS传感器的品种多到可以以万为单位,且不同MEMS之间参量较多,没有完全标准的工艺。这种行业特性让MEMS传感器制造的企业前期的研发投入过大,单品种的销量很难放大。以惯性传感器为例,其市场盈亏平衡规模为月产1000万只,即企业须至少每月生产1000万只惯性传感器才能保持不亏本状态,根据调查,国内绝大多数企业都远低于这一规模。国内最大的纯MEMS传感器公司美新至今是亏损的。所以只有企业做的越大它的赢利能力才越强。
  
MEMS传感器的应用

  MEMS传感器作为获取信息的关键器件,对各种传感装置的微型化起着巨大的推动作用,已在太空卫星、运载火箭、航空航天设备、飞机、各种车辆、生特医学及消费电子产品等领域中得到了广泛的应用。MEMS传感器典型应用如下图。 

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  在智能手机上,MEMS传感器提供在声音性能、场景切换、手势识别、方向定位、以及温度/压力/湿度传感器等广泛的应用;在汽车上,MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统(TPMS)和车辆稳定性控制增强车辆的性能。;医疗领域,通过MEMS传感器研成功制出微型胰岛素注射泵,并心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式;在可穿戴应用中,MEMS传感器可实现运动追踪、心跳速率测量等。
  
MEMS传感器典型应用举例

  随着电子技术的发展,MEMS的应用领域越来越广泛,由最早的工业、军用航空应用走向普通的消费市场。应用最广泛的当属于汽车电子产业和消费电子应用市场,这两大领域占了MEMS传感器市场的60%以上,本文主要介绍汽车电子MEMS传感器:

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  汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者,MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定(比如要求所有汽车采用TPMS系统)和汽车智慧化的发展趋势。全球平均每辆汽车包含10個传感器,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,车越好,所用的MEMS就越多,BMW740i汽车上就有70多只MEMS。MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。

  目前,压力传感器、加速计、陀螺仪与流量传感器四类器件合计占汽车MEMS系统的99%。其五年增长率均在3-12%。MEMS压力传感器是汽车中应用最多的传感器,汽车用MEMS压力传感器的价格大概在5~7美元。在汽车领域,MEMS压力传感器营业收入2013年预计达到12.6亿美元,占当年总体产业营业收入的74%。至少18个汽车应用领域将促进压力传感器的增长,包括:轮胎压力,电子稳定控制系统中的刹车传感器,侧面气囊,与日益严格的排放标准相关的引擎控制,大气压力与废气再循环压力。

  按销售额计算,最大的五种汽车MEMS应用按降序排名是:ESC,安全气囊,进气歧管绝对压力(MAP),TPMS与翻滚探测。

  全球汽车MEMS营业收入预测 (以100万美元计)

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  总体来看,2010-2015年中国仍将是全球第三大汽车MEMS传感器用户,领先于日本以及列入“其它地区”的众多国家。北美将继续位居第一,欧洲排名第二。预计2015年总体汽车MEMS销售额将达到30亿美元,比2012年的24亿美元增长25%。中国的汽车MEMS传感器远远快于全球的平均增长速度。15年中国汽车MEMS销售额将增长到3.879亿美元,而2010年是1.943亿美元。主要的增长将出现在压力传感器、流量传感器、陀螺仪和加速度计四个领域。

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  如表1所示,博世2014年汽车MEMS营业收入遥遥领先于第二名Sensata和第三名的Freescale。前10名厂商的合计营业收入为26亿美元, 10大厂商合计份额接近78%。所以汽车用MEMS的产业集中度是非常高的。

  博世以7.9亿美元的销售额排名去年第一,三倍于汽车电子领域排名第二的Sensata(2.68亿美元)。博世在汽车上MEMS传感器的成功不仅是他的技术水平高,产品线非常宽,不仅是最大的压力传感供应商,也是低压领域MEMS的头号供应商,尤其是在电子稳定控制(ESC)系统领域,该公司是加速计、陀螺仪和压力传感器的主要供应商。为了顺应趋势,把加速计与陀螺仪封装在一起(组合式传感器)以降低ESC系统生产商总体成本。

汽车领域中MEMS传感器的十大应用

1.电子稳定性控制系统(ESC)
  电子稳定性控制系统(ESC、ElectricStabilityControl)是用于防止车辆在雨后湿滑的道路或弯曲路段处发生侧滑的装置。该装置使用了MurataElectronicsOy(以下简称为MFI)的加速度传感器。

  通常,仅靠ABS和牵引控制系统无法满足车辆在弯曲路段上的行车安全要求。该场合下电子稳定性控制系统(ESC)就能够通过修正驾驶员操作中的转向不足或过度转向,来控制车辆使其不偏离道路。该系统通过使用一个陀螺仪来测量车辆的偏航角,同时用一个低重力加速度传感器来测量横向加速度。将所得测量数据与通过行驶速度和车轮倾斜角两项数据计算得到的结果进行比对,从而调整车辆转向以防止发生侧滑。

  加速度传感器通常会被独立安装在车辆重心附近,或作为传感器组的一部分以贴装组件的形式被安装在印制电路板上。标准测量范围为±1.5~2.0g;偏移量与温度或使用时间无关,稳定在100mg以下;频带在0~50Hz范围内。

  电子稳定性控制系统(ESC)通常需要以车辆的横向为检测轴,以确保在受到纵向加速度或车辆减速时,将影响控制在最小限度。将MFI的加速度传感器安装在印制电路板上时,可选择两种安装方向,即检测轴是与安装面平行还是垂直。若使用的是独立型加速度传感器时,则需要根据安装位置选用相应的托架。

  在全球范围内,有关ESC的标准法规制定工作正在积极推进中。在联合国“世界车辆法规协调论坛”“1998年协定书”的框架下,有关“轻型汽车电子稳定性控制系统”全球技术法规(GTR)于2008年制定完成并获得WP29批准(即GTR8)。美国、欧美、日本、澳大利亚、韩国等在内的国家和地区已经或正在将ESC作为强制安装的安全装置。作为“1998年协定书”签署国,中国从2007年开始全面参与ESC全球技术法规的协调进程,结合国内ESC产品开发、应用和试验能力提出了若干提案,并正在制定相关的国家标准。

2.电子驻车制动系统(EPB)

  EPB(电子驻车制动系统,ElectronicParkingBrake)取代了传统的基于机械杠杆和链条的驻车制动装置,为驾驶员提供了更有效的停车辅助。并且由于取消了主副驾驶位之间的驻车制动杆,驾驶席周围的空间便能得到更有效的利用。EPB系统可根据车体纵向的倾斜度不断调整刹车力度。仅需按下仪表盘上相应的按钮,刹车就会被锁定;在车辆启动和加速时,刹车将自动解锁。

  该系统还能够对低速牵引状态下的车辆进行辅助控制,防止车辆在坡上自然下滑。该系统与距离传感器系统信号对接后,甚至可以在狭窄区域内完成平行停车。如果与发动机防盗系统整合,便可形成一套最为可靠的防盗机制。

  该系统内的传感器实际测量起点通常是在±3°以内;对应的重力加速度值大约为50mg。这刚好与车辆在整个使用寿命和温度范围内的偏移稳定性要求相吻合。系统内部传感器的频率范围按要求尽量保持最低,上限不超过10-50Hz。

3.防抱死制动系统(ABS)

  在四轮驱动的车辆中,由于每个车轮都可能会打滑,所以ABS系统所需的车身速度和车轮速度参数无法通过传感器来测量。因此车辆的加/减速度信息只能通过对前后方向加速度的测量来获得。ABS系统的加速度传感器除了能够以独立元件或集成在印制电路板上的形式装入ABS控制器外,还能安装在其他的传感器类中。

  ABS系统使用的加速度传感器的测量范围通常在1~2G(G为重力加速度)。在检测温度范围和车辆使用寿命内误差偏移能够始终低于100mg的状态。该传感器的检测轴的方向必须为车辆的前后方向。MurataElectronicsOy的加速度传感器可以满足各种传感器单元和印制电路板贴装情况下的应用。

4.电子控制式悬架系统(ECS)

  电子控制式悬架系统(ECS)的主要用途是根据行驶速度、路面状况、转向情况、变速状态等信息以及不同的驾驶条件调节悬挂系统,为驾驶者提供良好的操作稳定性和乘坐舒适度。ECS系统为用户呈现从平稳舒缓到高速畅快的多种驾驶体验。驾驶者仅需按下选择按钮就能在运动型、普通型和舒适型驾驶模式间自由切换。

  ECS系统内部的加速度传感器可用于检测车体的运动状态,有时还用于检测前轮垂直方向的运动状态。用于检测车体的运动状态的两个加速度传感器被安装在前减震器与弹簧顶部固定点附近。而靠近轮毂的加速度传感器则是被装在减震器和车轮弹簧附近区域。这样一来,就能够通过两组传感器的测量数据计算出车体与车轮的垂直距离差。在更先进的轮毂传感器系统中,加速度传感器则被距离传感器替代,用于直接测量车轮与车体之间的距离。

  另外,在许多ECS系统中,车辆的中部或后部还额外装有一个用于检测车辆颠簸的加速度传感器。能够略微消除车体在加速或减速时的倾斜。

  空气悬架系统如今被应用于包括运动型多功能车(SUV)在内的大多数中高档、豪华型车辆。可通过调节车体边角处气罐内的空气体积来修正悬架设置。该系统通常包括1个特殊的气体压缩机,1到2个气体储备罐,4个由空气弹簧和传统减震器构成的减震单元,2到5个独立的加速度传感器,以及电子控制单元(ECU)。

  由于空气悬架系统对中小型车辆来说较为昂贵,通常会使用以油取代空气的悬架系统。尽管调节油量的系统价格较低,但是无法达到空气式悬架系统的高效性和舒适度。油量的调节由特殊的电子阀门来实现,该系统中会使用3到5个独立的加速度传感器。

5.防翻滚稳定性控制系统(ARC)

  作为车辆稳定性控制的一部分,车辆防翻滚稳定性控制系统(ARC)通常被整合进电子稳定控制系统(ESC)或悬架系统。防翻滚控制能够在启动刹车装置或平衡杆的异常动作时,防止车体发生大幅度的摇晃。在将ARC系统整合到ESC系统中时,需要额外使用一个用于检测车辆前后方向加速度的加速度传感器(测量范围为1~2g)。

  当该系统被用于SUV或越野车等车身整体较高或悬架位置较高的车辆时,有时也会被设计成一个独立的系统。此时,需将一个独立型传感器安装在车的顶部,另一个则装在下方地板处相应的位置。

6.引擎防震系统

  引擎和变速箱的防震控制如今正吸引业内人士越来越多的关注。其中一个重要的原因是新一代的引擎能够在无需满负荷运作时,通过关闭部分气缸来节省燃料。

  引擎中个别气缸的关闭会导致车体的震动。并且相对引擎重量而言,车体重量正在变得越来越轻。特别对于柴油动力的6气缸或8气缸引擎来说,引擎的震动将会导致车辆整体随之震动。而对于混合动力汽车,汽油和电力引擎间的频繁切换也会导致车体震动,该情况在小型柴油混合动力车中尤为突出。

  应对车体震动的最新解决方案是主动电子控制减震装置。这些装置在闭环控制系统(反馈控制系统)中使用了加速度传感器,并被装在车体的各个重要部位。

7.上坡起步辅助系统(HSA)

  HAS(HillStartAssist)是一个直接连接主刹车装置和ESC系统的电子驻车制动系统。当车辆在坡上发动时,它可以自动控制制动压力以防止车辆向后自然下滑。

  HAS系统需要使用高性能的传感器来感应车辆前后方向细微的倾斜,也就是道路的斜率。该系统对传感器稳定性的要求为在使用寿命和温度范围内测量出的倾角误差小于3°(换算为传感器输出值相当于50mg)。在汽车装配时产生的所有“偏移误差”,都可以在生产线最后的“偏移校准”步骤中消除;此外,还可通过电子稳定性控制(ESC)系统内的电子控制单元(EUC)所装的软件来对完成后的偏移信号进行校准。

8.心跳探测和先进防盗系统

  所谓心跳探测,是通过高灵敏度传感器和精密的电脑软件相互配合,从而在车辆已被上锁等应为空车状态的情况下,探测车内是否有人的新型系统。该系统可被用于检测由于父母疏忽而被留在车内的儿童或藏匿于车内的非法进入者。

  车辆防盗装置和引擎锁定防盗装置的原理是使用较为廉价的2轴加速度传感器来检测车辆的运动状态。如果与高精度的心跳探测传感器相结合,就能构成安全系数更高的先进防盗系统。

9.翻滚传感器(ROV)

  翻滚传感器即侧翻检测传感器,作为乘客保护系统的一部分被整合在安全气囊控制系统中。所谓翻滚传感器,具体来说,是由1轴或2轴(翻转角和俯仰角)角速度传感器和加速度传感器构成的,用于检测车辆Z轴方向也就是上下方向的角速度和加速度的传感器。该系统中加速度传感器的测量范围基本上为3~5g,频带最大不超过400Hz,稳定偏移约为300mg。

10.车胎压力监测系统(TPMS)

  将压力传感器应用于汽车领域的车胎压力监测系统正在迅速推进中。虽然该系统基本上是通过对胎内气压的监控点亮警告指示灯,但若能与各类车辆安全系统进行关联,就可以实现爆胎预警之外的许多极具吸引力的功能。当车胎压力不正常时,将有可能发生以下几种问题:

  前胎气压过低将导致转向不足,后胎气压过低将导致过度转向。

  不论胎压是不足还是过高,都会显著缩短轮胎的使用寿命。

  当轮胎压力偏离最佳值0.4bar时,轮胎寿命将缩短30%;胎压不足的情况下,压力每低0.6bar,就会额外增加4%的油耗。

  当以超过100km/h的速度高速行驶时,一旦发生轮胎打滑的现象,轮胎就会脱离路面,这是十分危险的。  

  当车胎压力比正常值的50%还低时,即使使用了ABS系统,在湿滑路面以100km/h行驶的制动距离也会增加10m。

  当车胎压力低于一定值时,系统将发出警报。

  不正常的车胎压力将妨碍悬架系统的正常工作。
  

罗姆:全球种类最多的传感器厂商

      传感器战略被罗姆视为未来50年四大战略之一,目前的确也只有罗姆可以将传感器上升至公司的战略——罗姆是业界提供最全传感器种类的公司,同时Kionix与LAPIS都拥有专项领域最强的产品组合。

  霍尔传感器,主要应用于折叠滑盖手机、笔记本电脑、数码相机、高档的冰箱洗衣机等开关检测。光传感器主要组成包括光敏二极管和放大器,应用范围不光是在手机、平板电脑中,在液晶电视等领域,同样可以用到。

  同时,罗姆也介绍了目前研发当中的项目,包括X-ray、UV、CIGS可见光、红外传感器、离子传感器等。CIGS传感器和传统CMOS图像传感器相比,对于光感非常灵敏,可用于夜视仪等方面。

  另外,罗姆还在研发SPR表面等离子激元共振传感器,主要用于医疗检测等方面。

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