MEMS传感器是结合硅基微电子技术和微机械加工技术制造的微型机械设备,具有广泛的应用潜力。MEMS传感器通常由MEMS芯片和专用集成电路芯片(ASIC芯片)封装而成,能够将外界信号转化为电信号。常见的MEMS器件包括加速度计、麦克风、压力传感器等,广泛应用于消费电子、汽车、医疗等领域。MEMS压力传感器通过测量压力变化来计算海拔高度,而MEMS加速度传感器则利用加速度感应运动和震动。MEMS陀螺仪则通过科里奥利力原理测量角速度,用于保持设备稳定性。
MEMS传感器基本构成 MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一,如果半导体微制造被视为第一次微制造革命,MEMS则是第二次革命。通过结合硅基微电子技术和微机械加工技术,MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。
事实上,MEMS这个词实际上有一定误导,因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而,MEMS又不仅仅是关于机械部件的微型化或用硅制造东西,它是是一种利用批量制造技术设计、创建复杂机械设备和系统及其集成电子设备的范例。再具化一点讲,集成电路的设计是为了利用硅的电学特性,而MEMS则利用硅的机械特性,或者说利用硅的电学和机械特性。那MEMS传感器又是什么?MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片(ASIC芯片)封装在一块后形成的器件。下图是一张典型的MEMS麦克风内部构造示意图,来自中国MEMS第一大厂歌尔微电子。这是一颗MEMS麦克风,可以看到这颗传感器的主要器件是一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片,以及与基板、外壳等封装一起,就做成了一颗MEMS传感器。这也是大部分MEMS传感器的基础构造。MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等信号变化,ASIC芯片将电容、电阻等信号变化转化为电信号,由此实现MEMS传感器的功能——外界信号转化为电信号。
常见的MEMS器件产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。
全球最主流的MEMS器件分别是:MEMS射频器件、压力传感器、惯性组合传感器、声学传感器、加速度传感器、喷墨打印头、微型热辐射传感器、陀螺仪传感器、光学传感器、硅基微流控制器件、热电堆传感器、磁传感器。
MEMS压力传感器 MEMS压力传感器,就是测量压力的,主要分为电容式和电阻式。随着MEMS压力传感器的出现和普及,智能手机中用压力传感器也越来越多,主要用来测量大气压力。测量大气压的目的,是为了通过不同高度的气压,来计算海拔高度,同GPS定位信号配合,实现更为精确的三维定位,譬如爬楼高度、爬楼梯级数等都可以检测。MEMS压力传感器的原理也非常简单,核心结构就是一层薄膜元件,受到压力时变形,形变会导致材料的电性能(电阻、电容)改变。因此可以利用压阻型应变仪来测量这种形变,进而计算受到的压力。下图1是一种电容式MEMS压力传感器的结构图,当受到压力时,上下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化,导致隔板之间的电容变化,据此可以测算出压力大小。下图2是一种MEMS电阻式压力传感器的工作动图,由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成,当外力施加时,电压与压力大小成比例变化产生测量值。