最近10年,隨著消費電子,尤其是智能手機和穿戴電子的發(fā)展,使MEMS傳感器真正的在全球火熱起來,大量的應(yīng)用涌現(xiàn),MEMS傳感器真正“飛入尋常百姓家”。
MEMS全稱MicroElectromechanical System,微機電系統(tǒng)。MEMS最初大量用于汽車安全氣囊,而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個領(lǐng)域,隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展,以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點,對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛,消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。例如,最近火爆的做胃鏡的無痛小膠囊,5G路燈,骨傳感耳機,智能家居中洗衣機與晾衣架之間的智能系統(tǒng),電梯維護等等。
現(xiàn)在,我們已經(jīng)接受了低成本,高性能微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器的可用性,但并非總是如此。
從首個大眾市場的MEMS傳感器開始
MEMS的完整市場始于1991年,當(dāng)時ADI公司在模擬,固態(tài)物理學(xué),工藝技術(shù),封裝等許多領(lǐng)域進行了約十年的艱苦技術(shù)戰(zhàn)后,終在1991年宣布推出(現(xiàn)已淘汰)ADXL50單軸加速度計,并在1993年實現(xiàn)量產(chǎn)。
ADXL50單軸加速度計尺寸為5毫米(mm)×5毫米,在當(dāng)時屬于一種破壞性創(chuàng)新,它可用于單個非常特殊的應(yīng)用:觸發(fā)剛剛引入但未強制使用的汽車安全氣囊。全模擬ADXL50是首個大眾市場MEMS加速度計,它提供了一個經(jīng)過全面處理的模擬輸出,可以將其數(shù)字化或由比較器電路直接使用。
在MEMS傳感器問世之前,大多數(shù)安全氣囊是由Allen K. Breed在1967年開發(fā)的傳感器觸發(fā)的——碰撞減速會導(dǎo)致球與固定磁鐵分離,并觸發(fā)一個小的電氣開關(guān),該電氣開關(guān)又關(guān)閉了一個電路,然后點燃了安全氣囊中的化學(xué)物質(zhì)。
相較于Allen K. Breed的傳感器,首款MEMS傳感器體積更小,價格更便宜且易于包裝,但更重要的是,它將加速度感測從是/否場景更改為傳感器可以提供感測值模擬流的場景。讓實際的加速度波形成為觸發(fā)算法的一部分。
盡管ADLX50到1999年已經(jīng)過時,被更先進的MEMS單元所取代,但它的廣泛影響顯而易見。之后MEMS傳感器發(fā)展不僅實現(xiàn)了高可靠性的傳感器自校準(zhǔn)功能(對于大多數(shù)傳感器而言至關(guān)重要);還增加了內(nèi)部信號調(diào)理,模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),微控制器接口和其他易于使用的功能。
很快,供應(yīng)商開始提供兩軸甚至三軸加速度計,首先是微型模塊,然后是單片設(shè)備。然后,諸如真實運動感測甚至導(dǎo)航之類的應(yīng)用變得可行(基本物理學(xué):積分加速度確定速度;積分速度確定位移)。
不久后,這些MEMS設(shè)備又增加了振動式MEMS音叉,并成為陀螺儀和全慣性測量單元(IMU),在許多情況下,它們可以代替指導(dǎo)宇航員使用的大型IMU(> 100磅,> 200瓦),基于MEMS傳感器的IMU可小巧得多。微型IMU可用于以前無法接觸的加速/定位應(yīng)用,也可作為無人機的制導(dǎo)核心。
首個走入大眾市場的MEMS傳感器是加速計,并在之后的一段發(fā)展時間里,大家似乎都把MEMS傳感器聚焦在加速計的應(yīng)用中。但事實上,目前MEMS器件已用于許多與加速度無關(guān)的應(yīng)用。
例如,德州儀器(TI)在數(shù)字光處理(DLP)IC中通過微鏡率先開發(fā)了轉(zhuǎn)向燈,最初瞄準(zhǔn)的是大屏幕顯示器和微型投影儀。它的DLP6500具有1080p(1920×1080)陣列,具有超過200萬個微鏡,可用作空間光調(diào)制器(SLM),以控制入射光的幅度,方向和/或相位。
此外,TI還提出將汽車的前大燈對準(zhǔn)方向盤。它的DLP5531是基于MEMS的電子轉(zhuǎn)向設(shè)備,無需齒輪,電動機和軸承,并具有完全的可編程性,并且每個前燈的高分辨率可尋址像素超過一百萬。
對于非光學(xué)RF世界,ADI公司提供四極單擲(4PST)MEMS懸臂開關(guān)ADGM1004,該開關(guān)可處理帶寬為DC至13吉赫茲(GHz)的RF信號。借助其帶有金屬尖端的雙向接觸開關(guān),在電路中使用它可以將RF信號路由到四個輸出端口之一,或者選擇四個輸入信號之一進行輸出。這些開關(guān)在RF信號鏈上的許多點或測試陣列和矩陣中得到廣泛使用。
ADI公司擴展了MEMS技術(shù)的基礎(chǔ),創(chuàng)建了一種懸臂結(jié)構(gòu),該懸臂結(jié)構(gòu)為4PST RF開關(guān)提供了金屬對金屬觸點閉合,帶寬為DC至13 GHz
MEMS傳感器“飛入尋常百姓家”
目前,全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作,已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品,其中MEMS傳感器占相當(dāng)大的比例。