mems姿态传感器干货 MEMS传感器最全科普

发布时间：2024-10-07 06:10:33

干货 MEMS传感器最全科普

MEMS的全称是微型电子机械系统

利用传统的半导体工艺和材料，集微传感器、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。具有小体积、低成本、集成化等特点。

MEMS工作原理图

MEMS传感器的应用领域

除了智能手机，MEMS传感器将会在 AR/VR、可穿戴等消费电子，智能驾驶、智能工厂、智慧物流、智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。

4、车联网应用

车联网是物联网发展的重大领域，智能汽车是车联网的核心，正处于高速发展中。在智能汽车时代，主动安全技术成为备受关注的新兴领域，需要改进现有的主动安全系统，比如侧翻（rollover）与稳定性控制（ESC），这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。

语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用，包括安全气囊（应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器）、汽车发动机（应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器）等。

5、自动驾驶应用

自动驾驶技术的兴起，进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度，但在GPS信号较差的地方（地下车库、隧道）和信号受到干扰的时候，汽车的导航会受到影响，这对自动驾驶来说是致命的缺陷。

利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置（角速度和角位置），车辆任何细微的动作和倾斜姿态，都被转化为数字信号，通过总线，传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下，MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展，精度已经上升到0.01。

MEMS VOC气体传感器GM-502B

6、工业应用

MEMS让传感器小型化、智能化，MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测，MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。

MEMS传感器种类及供应商

MEMS传感器种类繁多，主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器 等。

MEMS运动传感器 主要有加速度计、陀螺仪、磁力计三大类，加速度计和陀螺仪可以集成为六轴惯性传感器；磁力计和加速度计集成为电子罗盘（e-compass），加速度计、陀螺仪和磁力计可集成为9轴传感器。

MEMS环境传感器 可细分为气体、温度和湿度传感器 等。MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分、浓度等。MEMS温度传感器可用于任何需要检测温度的地方。MEMS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。

MEMS生物传感器 目前处于发展初期。MEMS生物传感器是利用生物分子探测生物反应信息的器件，被列为新世纪五大医学检验技术之一，是现代生物技术与微电子学、化学等多学科交叉结合的产物。未来MEMS生物传感器在医学、食品工业、环境监测等领域具有广阔发展空间。

MEMS产业链

MEMS是多学科交叉的复杂系统，整个产业链涉及设计、制造、封装测试、软件及应用方案环节 。

MEMS产业链的上游负责MEMS器件设计、材料和生产设备供应，中游生产制造出MEMS器件、下游使用MEMS器件制造终端电子产品。

MEMS整个产业链复杂，涉及的厂商众多。中国的设计、制造、封装测试厂商都在积极布局MEMS，已形成完整MEMS的产业链。

1、全球MEMS生产厂商

全球前十名 MEMS厂商主要包括博世、意法半导体、惠普、德州仪器、佳能、InvenSense、Avago和 Qorvo、楼氏电子、松下等。

2、MEMS代工

MEMS代工主要有两种类型：IDM厂商提供的MEMS代工，独立的代工厂提供的MEMS代工，其中独立的代工厂包括集成电路代工厂和纯MEMS代工厂。

近几年Fabless模式(无生产线设计公司)的MEMS器件制造商发展迅速，独立的MEMS代工厂努力寻求标准化的工艺以提升规模经济，减少制造时间和降低成本，使得独立的MEMS代工厂快速成长，但目前IDM代工仍处于市场领导地位。

3、MEMS封装测试

封装技术与IC封装有着诸多不同，对企业的要求很高。众所周知，MEMS器件价格下降非常之快，目前部分MEMS器件中封装成本甚至占到总价格的40%到60%。如何做到低成本封装是封测厂商面临的巨大挑战。

经过四十多年的发展，微机电系统（MEMS）已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，应用前景广阔。

MEMS酒精气体传感器GM-302B

5种商用最成功的MEMS传感器，颠覆了这些行业

1959年美国物理学家Richard Feynman（理查德费曼），在他著名的演讲“底部有足够的空间（There's Plenty of Room at the Bottom）”中，提出了将机器小型化到原子和分子尺度的想法。 然而，直到 20 世纪 80 年代和 90 年代，MEMS 技术才开始得到开发和商业化。

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1962年，微小器件的先驱——第一个硅微压力传感器问世，开创了MEMS技术的先河，也是MEMS微传感器的起始点。霍尼⻙尔研究中⼼和⻉尔实验室的相关论文显示，他们发明了第⼀个硅隔膜压⼒传感器和应变计。

此后，⼈们对MEMS传感器技术的兴趣急剧增⻓，到 1960 年代后期，许多美国先驱公司已经开始生产第一批MEMS压力传感器。

▲理查德•费曼

MEMS技术发展迅速，对现今传感器的普及起到关键作用，如果没有MEMS技术，传感器的微型化、集成化、低功耗等将难以做到，而物联网、智能手机、汽车等发展也将严重滞后。

如今，多种MEMS传感器及执行器取得了商业化的成功，替代传统器件，得到大规模应用，每年全球出货量数以百亿计，本文我们来看看这些取得巨大成功的MEMS传感器及执行器器件。

MEMS麦克风：一经推出就在移动设备上大受欢迎

1961年，著名的贝尔实验室研发出第一款驻极体（ECM）麦克风，利用声音作用在振膜上电容大小的变化，将声音转换为电信号。

之后驻极体麦克风在全国大规模流行了40多年的时间，直到2003年，市场上第一款商用MEMS麦克风产品问世——来自Knowles（楼氏电子）的SiSonic麦克风。

此时，市场上移动手机逐渐普及，并且越做越轻薄，传统的驻极体麦克风无法满足可移动设备对麦克风轻、薄、小的要求，MEMS麦克风的问世获得手机厂商的青睐。

2003年，楼氏电子率先将MEMS麦克风出货给日本京瓷，应用于手机中，同一年，摩托罗拉在其超薄手机RAZR中使用楼氏电子的MEMS麦克风，目前楼氏电子已卖出超百亿颗SiSonic麦克风。

▲来源：Digitimes

MEMS麦克风在市场上大获成功，基本在市场上——尤其是移动设备市场，全面替代传统的驻极体麦克风，成为市场主流，我们每台手机中，至少都有3颗以上的MEMS麦克风。

据YoleDeveloppement数据统计，2015年开始MEMS麦克风的出货量逐步超过ECM——此时MEMS麦克风商业化仅12年 ，此后MEMS麦克风出货量连年两位数增长。

据Yole的数据显示，凭借MEMS麦克风的先发优势，楼氏电子长期以来占据全球MEMS麦克风第一厂商宝座，直至2020年被歌尔微超越，歌尔微、瑞声科技、敏芯股份等MEMS麦克风厂商的崛起侧面折射出中国MEMS产业的发展。

▲来源：歌尔微电子

MEMS惯性传感器：让移动设备的惯性测量成为可能

你知道吗？世界上第一个真正大规模商业化的 MEMS 传感器是加速度计 ，它由美国ADI公司（亚德诺）于 1991 年发明。 该传感器基于电容传感原理，传感器的输出信号可用于测量加速度或倾斜度。

这个MEMS加速度传感器主要用于汽车安全气囊中，此前汽车安全气囊用传统传感器一只售价20美元，而ADI的MEMS加速度传感器售价约为每个5美元，这使安全气囊电子装置的成本降低了75%左右。

此后，MEMS惯性传感器快速普及，在汽车等许多领域替代了传统惯性传感器，并创造了更多的应用场景——譬如手机、智能手表、TWS耳机等可移动设备的惯性测量成为可能。

MEMS 惯性传感器主要包括 MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、MEMS-IMU（惯性测量单元）。

在手机中，MEMS加速度计负责感知运动状态，通过测量物体在三个方向上的加速度，实现屏幕自动旋转、计步器、游戏控制等多种功能。

目前，市场上最成功的MEMS加速度计供应商是博世、意法半导体、村田制作所、恩智浦和亚德诺等，其中，博世和意法半导体分别以32%和21%市场份额领先。

陀螺仪通过测量角速度来感知物体的旋转状态，自Sperry发明全球第一个实用的陀螺仪至今，陀螺技术已经经历了近百年的发展，是惯性技术的核心。

1989年采用MEMS技术的第一个微机械陀螺问世，漂移率达10度/小时。相比其他陀螺仪，MEMS 陀螺仪的成本更低、体积更小、可靠性更高且更易于批量化生产，使在移动设备上使用陀螺仪成为可能。

iPhone 4是世界上第一台内置MEMS三轴陀螺仪的手机，可以感知来自六个方向的运动、加速度、角度变化

在智能手机中，陀螺仪与GPS、地磁传感器等配合，可以实现精确的定位和导航功能，同时游戏方面的重力感应特性更加强悍和直观，游戏效果将大大提升。这个功能可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候，凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。而三轴陀螺仪将会与iPhone原有的距离感应器、光线感应器、方向感应器结合起来让iPhone 4的人机交互功能达到了一个新的高度。

如今，随着无人机、自动驾驶技术的兴起，MEMS陀螺仪的应用越来越广，为这些设备提供稳定可靠的姿态控制。

MEMS陀螺仪的主要厂商有TDK、亚德诺、霍尼韦尔、博世、意法半导体等。

MEMS-IMU（惯性测量单元）由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪组成，具备加速度和角速度测量能力，应用领域非常广泛，美国Draper 实验室于 1994 年研制出了首台微机电惯性测量组合。

▲InvenSense（TDK）的九轴惯性测量单元内部：陀螺仪 (右)和加速度计(左)

MEMS IMU的发展早期主要受军工需求推动，后续逐步推广至民用，现已于消费电子、汽车、工业自动化等领域中实现广泛应用。

目前，随着MEMS IMU技术的快速发展和成本下降，MEMS IMU有逐步替代独立的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的趋势。

MEMS压力传感器：带动压力检测向微小化延伸

压力是是各种物理量中，排名第二大的测量值，如前文所述，世界上第一个MEMS传感器为硅微压力传感器，于1962年问世，由霍尼韦尔研发。

目前霍尼韦尔的压力传感器产品覆盖了各种各样的场景 ，其绝压、表压、真表压、小型压力传感器等各种压力传感器，能在世界上最恶劣的环境下，满足最严苛的测试和测量规格，包括一般的工业过程需求和专用于危险区域的压力传感器。

▲霍尼韦尔工业压力传感器，来源：霍尼韦尔官网

相比传统的压力传感器，MEMS压力传感器具有无机械疲劳或老化、输出信号稳定、灵敏度高、体积小、适合批量大规模生产（成本优势）等优点，随着移动设备、汽车等发展MEMS压力传感器越来越受到欢迎。

在医疗健康领域，压力传感器被广泛应用于血压计、呼吸机、监护仪等设备中，为医生提供准确的生理参数数据。此外，随着可穿戴设备的兴起，压力传感器也被用于智能手环、智能手表等设备中，实现心率监测、睡眠分析等功能。

▲MEMS压力传感器应用，来源：Yole

MEMS压力传感器的一个显著优点，是其体积可以做到非常小，从而推动了压力传感器在小型化移动设备、医疗等创新领域的应用。

譬如，此前泰科电子推出了业界首创微型侵入式MEMS压力传感器，细如发丝，推动了压力感测在医疗设备领域的应用，今后在诊断导管、治疗导管、一次性窥镜、活检针、消融设备等微创医疗设备上都可以应用 该IntraSense系列传感器，医生进行相关微创手术就不需要仅凭借经验进行操作，可以根据准确的压力数值去判断，这将对现有医疗行业的数字化产生巨大变革。