MEMS传感器的应用及分类

大家好，我是【广州工控传感★科技】MEMS传感器事业部，张工。

MEMS传感器作为获取信息的关键器件，在推动各种传感设备小型化方面发挥着巨大作用，并逐渐取代传统的机械传感器，如智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机和VR/AR耳机等。几乎所有最近的电子产品都使用MEMS传感器。下面就为大家介绍一下MEMS传感器的应用和分类。

MEMS传感器
 

这些MEMS传感器中的每一个都有多种细分方法。例如，加速度计按被测质量的运动方式分类，包括角振动型和直线振动型加速度计等，种类很多。常见的MEMS传感器包括压力传感器、加速度传感器、微机陀螺仪、惯性传感器、MEMS硅麦克风等；MEMS传感器的品种多达数万种，不同MEMS之间的参数很多，没有完全标准的工艺。

按应用划分的MEMS传感器
MEMS传感器有很多种，主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境和光传感器。
1. MEMS运动传感器
MEMS运动传感器主要包括加速度计、陀螺仪和磁力计。加速度计和陀螺仪可以集成到六轴惯性传感器中；磁力计和加速度计可以集成到电子罗盘中，加速度计、陀螺仪和磁力计可以集成为一个9轴传感器。
MEMS陀螺仪通过陀螺仪的核心原理科里奥利力测量角速度；MEMS加速度计可以感应任何方向的加速度。MEMS 磁力计可以通过测量磁场的强度和方向来定位设备的方向。
2. MEMS麦克风
MEMS麦克风广泛应用于消费电子、汽车、医疗等领域。今天几乎每部智能手机都至少使用一个MEMS麦克风，高端智能手机甚至使用三个麦克风来进行语音捕捉、噪声消除和改进的语音识别，而iPhone6S已经使用了四个MEMS麦克风。 在物联网时代，大量的物联网设备也会使用MEMS麦克风。Apple iPhone5S和5C使用两个 Knowles和一个MEMS麦克风。
3. MSME压力传感器
压力传感器主要用于检测压力，按量程可分为低压、中压和高压压力传感器。 MEMS压力传感器属于低压传感器，主要检测原理是硅电容和硅压阻。
4. MEMS环境传感器
环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器等，MSME温度传感器可用于任何需要温度检测的地方，MEMS湿度传感器已广泛应用于工控、气象、农业、矿山探测等行业。 MEMS气体传感器主要用于检测目标气体的成分和浓度。
5. MEMS生物传感器
MEMS生物传感器目前处于开发的早期阶段，MEMS生物传感器是一种利用生物分子检测生物反应信息的装置。被列为新世纪医学检测五项技术之一。未来，MEMS生物传感器将在医药、食品工业、环境监测等领域拥有广阔的发展空间。

MEMS传感器
 

MEMS传感器的典型应用：

随着电子技术的发展，MEMS的应用领域越来越广泛，从最早的工业和军用航空应用到普通民用和消费市场。在智能手机上，MEMS传感器在声音表现、场景切换、手势识别、方位定位、温度/压力/湿度传感器等方面提供了广泛的应用；和车辆稳定性控制，以提高车辆的性能；在医疗领域，通过MEMS传感器的开发，成功研制出微型胰岛素注射泵，心脏搭桥移植和人工细胞组织成为实用化、实用化的治疗手段； 在可穿戴应用中，MEMS传感器可以实现运动追踪、心率测量等。以下为详细介绍：
1.可穿戴设备应用
以小米手环为例，ADI的MEMS加速度和心率传感器用于监测运动和心率。除了Apple Watch内部的 MEMS 加速度计、陀螺仪、MEMS 麦克风和脉冲传感器。
智能可穿戴设备是目前最热门的新兴产品，其所使用的传感元件通常在尺寸、功耗、传感灵敏度或元件可靠性等方面都面临更严格的要求。 最成功的组件案例是惯性传感器和 MEMS 麦克风。 许多知名厂商，包括谷歌、苹果、微软、摩托罗拉等，都将这两个组件集成到自己的可穿戴设备产品中，成为自己的产品。 传感器是标准配置。

 

 

智能穿戴设备的两大功能项是量化自我和便携式环境安全监测。所需的感知功能大致可以包括四类：活动感知、图像感知、环境感知和生理感知。MEMS元件在可穿戴设备中的应用要求是使系统实现小型化、低功耗、高性能和多功能集成。
 

健身和健康监测是MEMS传感器在智能可穿戴设备中的代表性应用。计步器或计步器使用三轴MEMS加速度传感器。 在某些情况下，计步器的传感器可以准确测量步行和跑步过程中作用在系统上的加速度。 通过处理加速度数据，计算步数。监视器显示用户已采取的步数和速度，以及身体运动过程中燃烧的卡路里。
 

2. 虚拟现实应用

VR设备需要精确测量头部旋转的速度、角度和距离。使用MEMS加速度计、陀螺仪和磁力计进行测量是重要的解决方案之一，几乎已经成为VR设备的标准配置。 Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR 都使用 MEMS 加速度计和陀螺仪，未来的 VR 设备也可能使用MEMS眼球追踪技术。

 

3.无人机应用

在无人机飞行姿态控制技术方面，MEMS传感器还有发挥空间，结合加速度计和陀螺仪，可以计算出角度变化，确定位置和飞行姿态。MEMS传感器可以在各种恶劣条件下工作，同时获得高精度输出。MEMS加速度计和陀螺仪在无人机上的应用可以说是大放异彩。

4. 车联网应用
车联网是物联网发展的主要领域，智能汽车是车联网的核心，发展迅猛。 智能汽车时代，主动安全技术成为一个新兴的关注领域，需要对现有的主动安全系统进行改进，例如侧翻和稳定控制（ESC），这需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感知 测量身体姿势。

语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来新的发展机遇。 MEMS传感器在汽车领域也有很多应用，包括安全气囊（正面碰撞安全气囊的高g加速度传感器和侧面安全气囊的压力传感器）、汽车发动机（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MEMS传感器进入汽车。
GPS接收器虽然可以计算自己的位置和速度，但在GPS信号较差的地方（地下车库、隧道），当信号受到干扰时，会影响汽车的导航，这对自动驾驶来说是一个致命的缺陷。 使用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置（角速度和角位置），将车辆的任何细微运动和倾斜姿态转换为数字信号并通过总线传输到车载计算机。 即使在最快的车速下，MEMS 的精度和响应速度也能适应。得益于硅体微加工、晶圆键合等技术的发展，精度已升至0.01。
在高端汽车中，大约使用25到40个MEMS传感器，汽车越好，使用的MEMS就越多。BMW740i 中有70多个 MEMS。MEMS传感器可以满足恶劣的汽车环境、高可靠性、准确度和低成本的要求。其应用方向和市场需求包括车辆防抱死制动系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬架（ECS）、电子驻车制动（EPB）、坡道起步辅助（HAS）、胎压监测（ EPMS)、发动机防抖、车辆倾角测量和车载心跳检测等。
目前，压力传感器、加速度计、陀螺仪和流量传感器共占汽车MEMS系统的 99%。
 

6、工业应用

MEMS使传感器小型化、智能化，MEMS传感器在智能工业时代将具有巨大潜力。 MEMS温湿度传感器可用于检测环境条件，MEMS加速度计可用于监测工业设备的振动和转速。高精度MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和旋转提供精确的位置信息。

7、航天设备应用

MEMS传感器应用于航空航天领域，需要适应不同的空间环境，包括：真空、电磁辐射、高能粒子辐射、等离子体、微流星体、行星大气、磁场和引力场等，以及 航天器某些系统工作时不时或在空间环境作用下产生的诱发环境，如轨道控制推进器点火、太阳能电池翼展开所引起的振动和冲击环境；航天器上的磁性材料和电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场； 由有机材料沉积引起的分子污染逃逸到航天器的其他部分等。
因此，航空航天传感器主要分为状态传感器和环境传感器。前者包括各种运动部件的实时位置传感器，如襟翼、副翼位置、喷管尺寸、油门位置、减速板位置、起落架收放位置等，飞行器状态传感器，如迎角、侧滑角传感器 、飞机姿态传感器等，各种参数如液压、油压、发动机振动、润滑油金属屑、各种耗材如剩余燃油、消耗速度等，还有结冰传感器、火警传感器、限位 适用于各种冗余系统的传感器、过载传感器、寿命传感器和自动切换传感器。
 

MEMS传感器在航空航天领域的主要用途有五种：1、提供航天器的工作信息，起到故障诊断的作用；2、判断各子系统之间工作的协调性，验证设计方案；3. 提供全系统自检 4. 提供各子系统及整机的内部测试参数，验证设计的正确性。⑤监测飞行器内外环境，为飞行员和航天员提供必要的生活条件，保证飞行参数正常。

 

 

8、在生物医药行业的应用

MEMS传感器技术的突破也为医疗应用带来了前所未有的便利和体验。体外诊断、药物研究、患者监测、药物输送和植入式医疗器械都在不断发展，系统集成商需要创新技术来快速提高产品性能、降低产品成本、缩小产品尺寸。
BioMEMS技术为所有这些领域带来了加速度计、压力传感器、流量传感器和微型泵等微型设备，这些设备具有改进的传感和驱动功能。测压传感器应用在医学上被称为医疗测压传感器，它们都必须高度准确且封装紧凑，以便于携带，尤其是当设备直接连接到患者时。植入式传感器应该体积小、重量轻且与身体兼容，同时需要很少的功率。 更重要的是，它们不会随着时间的推移而衰减。
 

电压电聚合物传感器体积小，可靠性高，无需外接电源，可长时间连续工作。此类传感器可用于监测患者活动的起搏器，并可通过植入式传感器实时监测心率变化。例如，由于腹部有大动脉瘤，需要切除一段脆弱的动脉并用合成管状器官代替。 在这种情况下，可以在手术过程中植入传感器以监测手术部位的压力泄露。

生物传感器对生物物质敏感，并将其浓度转化为电信号进行检测。由 适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等）和信号放大装置组成的分析工具。

以上就是关于mems传感器的应用和分类的知识介绍，物联网的发展大大增加了对传感器产品的需求，重点逐渐转移到技术含量更高的MEMS传感器领域。