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MEMS传感器原理全解析!

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2023/2/8 10:06:49

MEMS传感器原理全解析!

MEMS传感器芯片传感器芯片总市场的一半,规模近百亿美元,并且受技术趋势和市场需求影响,未来仍有望稳定增长,但MEMS传感器目前国产化率仍极低。

 

如果没有充足的国产MEMS传感器芯片,那么国产传感器的崛起也将无从谈起。

 

MEMS主要采用微电子技术,在微纳米的体积下塑造传感器的机械结构,因此,我们很难直观看到其工作原理。包括许多半导体行业人士甚至传感器业内人士,都不太清楚MEMS里面的原理和构造情况。

 

本文以最清晰明了的方式,收集了大量动图、图片,直观阐述主流MEMS传感器的工作原理!这些MEMS传感器也是占据最多的MEMS传感器种类,包括:

 

什么是MEMS?MEMS传感器基本构成
一、MEMS声学传感器
二、MEMS压力传感器
三、MEMS加速度传感器
四、MEMS陀螺仪传感器
五、MEMS组合惯性传感器
六、MEMS磁传感器
七、MEMS微流控系统
八、射频MEMS
九、DMD(数字微镜器件)
十、MEMS喷墨打印头

 

什么是MEMS?MEMS传感器基本构成

MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的缩写,中文名称是微机电系统。MEMS芯片简而言之,就是用半导体技术在硅片上制造电子机械系统,再形象一点说就是做一个微米纳米级的机械系统,这个机械系统可以把外界的物理、化学信号转换成电信号。这类芯片做出来可以干嘛?是承担传感功能。

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。

在此需要划重点的是,MEMS是一种制造技术,诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机甚至蒸汽机都是由MEMS制造的。

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。

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。
根据著名市场调研公司Yole的数据,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。
因为MEMS的微观特性,我们很难直观了解到各MEMS传感器的工作情况,下面特意搜集大量的动图,可以直观“看”到各主流MEMS传感器的工作原理。

一、MEMS声学传感器

 

MEMS声学传感器主要指硅麦克风、超声波传感器等,其中,硅麦克风是应用最多的MEMS声学传感器。

 

硅麦克风是指利用MEMS技术,在硅基上制造的微缩麦克风,迎合目前3C产品小型化和集成化趋势,所以TWS耳机、手机麦克风,才会实现如此集成化效果。

MEMS传感器由上下两层构成一个电容器,上层为孔洞结构下图黄色/绿色部分术语为背板,下层为密闭结构,术语为振膜。当声音通过进音孔传递到传感器时,声压会导致两层振膜震动,从而导致振膜和背板之间的间距发生变化,进而使振膜和背板之间的电容发生变化,这样也就是将声压信号转变为了电信号。

 

二、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。

 

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下图是一种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。

 

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三、MEMS加速度传感器

 

MEMS加速度传感器利用加速度来感测运动和震动,比如消费电子中泛的体感检测,广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、姿态识别等等。

 

MEMS加速度传感器的原理非常易于理解,那就是高中物理最基础的牛顿第二定律。力是产生加速度的原因,加速度的大小与外力成正比,与物体质量成反比:F=ma。

 

所以MEMS加速度传感器本质上也是一种压力传感器,要计算加速度,本质上也是计算由于状态的改变,产生的惯性力,常见的加速度传感器包括压阻式,电容式,压电式,谐振式等。


 

其中,电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强,是目前技术尤为成熟、应用尤为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高,电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。

 

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器,其中一个电极是固定的,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度),还可以进一步测出压力。

 

下图是3轴MEMS加速度传感器的封装结构,ASIC芯片位于MEMS芯片上方,MEMS芯片里,Z轴与X-Y轴从结构上是分开设计的。

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下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部结构图,梳状结构紧密排列。

 

下图来自博世,显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。

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四、MEMS陀螺仪传感器

 

MEMS陀螺仪又称MEMS角速度传感器,是一种测量角速度传感器,其原理相对来说复杂点。

 

测量角速度,不是一件容易的事情,必须在运动的物体中,寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。人们发现,高速旋转中的陀螺,角动量很大,旋转轴不随外界运动状态改变而改变,会一直稳定指向一个方向


陀螺仪能有什么用?最大的用处就是用来保持稳定。动物界中稳定性就是禽类动物,譬如鸡,所以很多人开玩笑说,鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪,不管怎么动它,脑袋就是不动。而用陀螺仪,也可以保持机器的稳定性。

至于陀螺仪的结构,核心就是一个呼呼转不停的转子,作为其他运动物体的静止锚定物。下图,高速旋转的陀螺在一条线上保持平衡,这就是陀螺仪的基本原理。

 

再回到MEMS陀螺仪,与传统的陀螺仪工作原理有差异,因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子,并不是一件容易的事。


MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。这种力超出了笔者的高中物理水平,怎么描述这种科里奥利力呢?可以想象一下游乐场的旋转魔盘,人在旋转轴附近,但当大圆盘转速增加时,人就会自动滑向盘边缘,仿佛被一个力推着一样向沿着圆盘落后的方向渐渐加速,这个力就是科里奥利力。

所以MEMS陀螺仪的结构,就是一个在圆盘上的物体块,被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡。由于在旋转状态中做径向运动,因此就会产生科里奥利力。MEMS陀螺仪通常是用两个方向的可移动电容板,通过电容变化来测量科里奥利力。


五、MEMS组合惯性传感器


MEMS组合惯性传感器不是一种新的MEMS传感器类型,而是指加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等的组合,利用各种惯性传感器的特性,可以实现立体运动的检测。


组合惯性传感器的一个被广为熟悉的应用领域就是惯性导航,比如飞机飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程制导、惯性GPS导航等制导应用。相关介绍可以查看《总算明白了,现代战争,打的都是传感器》。

六、MEMS磁传感器

 

磁传感器并非像名字显示的那样,只是为了测量磁场强度的器件,而是根据受外界影响,敏感元件磁性能变化,来检测外部环境变化的器件,可检测的外界因素有磁场、电流、应力应变、温度、光等。

其中,磁阻传感器是第四代磁传感技术,基于纳米薄膜技术和半导体制备工艺,通过探测磁场信息来精确测量电流、位置、方向、转动、角度等物理参数。

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由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化,因此基于MEMS的磁传感器具有体积小、性能高、成本低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点,其制备材料以Si为主,消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响。

 

七、MEMS微流控系统

 

MEMS器件有着广泛的用途,主要分为传感器和执行器(致动器)两大类。前面我们提到的都是属于MEMS传感器,微流控系统、射频MEMS、MEMS喷墨打印头、DMD(数字微镜器件)等则属于执行器,是MEMS器件的重要组成。


MEMS微流控(microfluidics )系统,就是一种流量控制,是精确控制和操控液体流动的装置,使用几十到几百微米尺度的管道,一般针对微量流体,用于生物医药诊断领域的高精度和高敏感度的分离和检测,具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。


 

MEMS微流控是纯粹的机械结构,制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。


MEMS微流控芯片,直白点说,就是在一片很小的玻璃流道上进行生物化学反应,用芯片进行计算,用传感器传递信号。

八、射频MEMS


射频MEMS器件分为MEMS滤波器、MEMS开关、MEMS谐振器等。


射频前端模组主要由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成,其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件,滤波器的工艺就是MEMS,在射频前端模组中占比超过50%,主要由村田制作所等国外公司生产。


因为没有适用的国产5G MEMS滤波器,因此华为手机只能用4G,也是这个原因,可见MEMS滤波器的重要性。


滤波器(SAW、BAW、FBAR等),负责接收通道的射频信号滤波,将接收的多种射频信号中特定频率的信号输出,将其他频率信号滤除。以SAW声表面波为例,通过电磁信号-声波-电磁信号的两次转换,将不受欢迎的频率信号滤除。

 

射频开关(Switch),不是一个单纯的开关,而是一个切换器,主要用于在射频设备中对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号进行切换处理的装置,实现通道的复用。

 

RF MEMS开关种类繁多,它们可以用不同的机制来驱动。由于功耗低、尺寸小的特性,静电驱动常用于射频微机电系统开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。

 

下图是“悬臂梁” RF MEMS开关。在这种配置中,固定梁悬挂在基板上,当梁被压下时,梁上的电极接触基板上的电极,将开关置于“开启”状态并接通了电路。

 

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最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作,非常适合高频率的射频应用。

九、DMD(数字微镜器件)

 

DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)是光学MEMS的重要类别,主要应用于DLP(Digital Light Processing,数字光处理)领域,即影像的投影。


在投影系统中,DMD芯片是其中的核心部件之一。

 

DMD技术通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜,将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米,微镜按矩阵行列排布,每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。

十、MEMS喷墨打印头

 

MEMS喷墨打印头其实和上文中介绍的MEMS微流控系统是同一类型,均属于MEMS微流控领域的应用,不过不同的是,MEMS微流控系统主要用在生物检测上,MEMS喷墨打印头是用在打印机上,控制油墨的喷吐。


简单点说,喷墨打印头的作用是挤出墨汁,有的是利用压电薄膜震动来挤压墨水,有的是利用加热气泡变大,将腔体内的墨汁挤出。


有趣的是,以这两种MEMS喷墨技术,形成了打印机两大阵营,以爱普生、Brother为代表的微压电打印技术,和使用热发泡打印技术的惠普、佳能等厂商,互为对手。

结语

 

本文主要目的是想以动图、图片等最直观的方式,为我们展示主流MEMS传感器的工作原理,以对各类MEMS传感器有基本的了解。

 

 

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