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面向物联网应用的MEMS传感器技术

来源:佚名 时间:2018-03-13 06:11

传感器和执行器是物联网系统的重要组成部分。智能传感器构成物联网系统的感知层,是完成物联网系统数据采集的最直接的系统单元。一个独立工作的物联网终端一般由传感器、数据处理单元(处理器加存储器)、电源管理单元和无线通讯单元组成。在这样的终端中,由传感器采集的数据通过数据处理单元的处理,由无线通讯系统传递到云端,实现与整个网络的连接。物联网应用对传感器的要求包括:器件微型化、功能集成化 、低成本和海量制造。其中低成本和海量制造两者直接关联。由硅基集成电路制造技术衍生出的MEMS技术能够满足上述要求,成为物联网时代微型传感器技术的主流生产技术。

图1 物联网终端的四个系统单元

应用广泛的MEMS

MEMS是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)的简称。它有两个特征:其一是器件尺寸在微米或纳米量级;其二是通常有一个悬空的运动部件以实现感知或传动功能,比如图2中的悬臂梁。当悬臂梁的运动状态发生变化时,设计好的机电耦合装置就把机械运动转化成电信号。机电耦合的方法很多,比如把悬臂梁和下面的电极组成一个电容器,就可以实现输出的电压信号获得关于悬臂梁运动的信息。在悬臂梁上附着能够感知外部环境的薄膜材料,即增感层,就能制成各种各样的传感器。比如,感知运动的传感器用以检测压力、加速度、运动方向、扭曲、流量、风力等。感知声波的MEMS麦克风便是一种十分常见的声学传感器,在手机和移动终端上获得非常广泛的应用。MEMS上附着光敏层,可把光转化成热,改变悬臂梁形状,从而形成光敏传感器、红外传感器等。

图2 MEMS器件结构示意图

MEMS技术还可以用电信号操控悬臂梁的运动,制成执行器(actuators),比如微电机、微开关、微泵、喷墨打印头等。手机中广泛应用的MEMS扬声器就是一种典型的执行器。采用MEMS还可制成应用于光学系统的微镜、微投影、微光闸等电控光学器件。还有一类采用MEMS工艺制造的器件,利用悬臂梁的力学谐振功能制成高频滤波器,有望取代声表面波滤波器。此外,还有采用运动部件把机械运动动能转化成电能并加以储存的能量采集器件(energy harvest)等。

作为产品的MEMS传感器出现较晚。上世纪80年代,人们才把硅悬臂梁结构封装在玻璃上制成了第一款用于发动机控制的MEMS传感器。上世纪90年代,MEMS加速度计开始用于汽车安全气囊;此外,MEMS压力传感器开始在血压计中得到应用;采用MEMS技术制造的喷墨打印头则应用于打印机,成为第一款广泛使用的消费类MEMS执行器。2000到2010年间,MEMS传感器和执行器得到大幅推广,出现了用于测量轮胎压强的胎压传感器,监测相机和手机等装置水平和竖直运动的陀螺仪,基于MEMS技术的麦克风和扬声器、MEMS开关、红外图像传感器、指纹识别传感器等一批产品。