MEMS遇见传感器,改变生活就此开始

摘要：通过分析MEMS和传感器技术融合的最新进展，介绍最新的MEMS传感器技术的应用及为智能设备带来的全新应用体验。本

>> MEMS遇见传感器，改变生活就此开始 MEMS传感器传递智能生活新理念 ＣＭＯＳ传感器时代的开始？ 日常生活中的传感器 用于油井井下环境的MEMS应变传感器 MEMS传感器ADIS16209原理与应用 基于ADI MEMS传感器解决方案展示 MEMS、MCU和传感器融合的平衡 MEMS传感器及其在航空领域的应用 基于MEMS传感器的电子罗盘设计 汽车传感器MEMS的研究与展望 日本北陆电工扩大MEMS传感器事业 基于MEMS海洋湍流传感器实验研究 MEMS传感器发展现状与应用 MEMS传感器市场面临空前机遇 利用MEMS惯性传感器改善控制 加速创新步伐的MEMS传感器 MEMS传感器整合解决方案 MEMS传感器:从哑设备到系统平台 3D MEMS传感器深入应用市场 常见问题解答 当前所在位置：

关键词：MEMS；传感器；智能设备

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.001

广义上说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。传感器接收信号或刺激并反应，并将待测物理量或化学量转换成另一对应输出，主要用于自动化控制、安防设备等。市场对传感器的需求随着应用的不同其需求重点不同，如工业过程控制还是集中在温度、压力、流量及图像系统方面。一般消费产品像手机里面的轻触式感应系统、陀螺仪，图像等器件。而在汽车工业里，除了传统的温度、压力、速度、及流量等传统信号感应系统外，越来越多的图像和雷达系统被应用到了汽车的安全系统应用中。这些新兴的应用都将具有广阔的市场前景。

作为一种精细化机械工艺，MEMS（微机电系统）技术深受运动、加速度、倾斜以及振动等传感器应用的欢迎。今天的MEMS传感器是系统级封装解决方案，与传统的传感器技术相比，MEMS体积小、重量轻、成本低、能耗低、可靠性高、易于批量生产、智能化高。而借助MEMS技术带给传感器的这些优势，又为传感器打开了更多全新应用之门。

村田制作所MEMS传感器产品技术部经理Fang Tuurnala介绍，MEMS传感器的高性能和可靠性、对时间和温度变化有极小的偏差即稳定性好等特性不会局限于目前的应用。在工业领域，MEMS传感器的运用主要会在地震预测，桥梁倒塌等事故的预测中。例如铁塔底下放置传感器后，即可得知在某个支撑点范围下铁塔是安全的，超过这个范围就会产生安全隐患。在国外的桥梁上已经有了使用传感器的案例。另外一个工业的应用就是在煤矿。运用在煤矿地下支撑脚的控制，减小塌方的可能性。农业方面，在耕地面积减少的情况下农业机械化和高产量的需求也使得农业开始需要高尖端的技术。未来的农业也会是个不同的景象，例如在插秧的设备上搭载MEMS传感器，它可以做到同角度高准确的种植，在同样的投入下收获更高的产量。MEMS传感器在中国有10年多的发展，但是推广不够立体，市场需求并不明显等原因实际实际应用还不多。因此，在国内推广此产品会需要比较长的周期，展望未来，MEMS传感器在汽车电子等领域对高尖端传感器的需求会不断增加。

消费级应用

在消费产品中，现在不论是走路还是打电话，都会用到不同程度的传感器。除了市场比较成熟的常用传感器之外，高精度传感器产品的日后需求将会越来越多。

MEMS加速传感器和陀螺仪让设备厂商研制出各种高性价比的运动控制型设备，并取得市场成功。这些传感器能够给手机、MP3/MP4播放器、PDA、平板电脑或游戏机控制器增加智能人机界面，把用户的手腕、胳膊和手的运动与应用程序、页面内以及页面之间的浏览、游戏机中的人物动作等设备功能联系起来，实现真正意义的人机互动。

便携设备中的数据保护是MEMS传感器的另一种应用。当出现自由坠落或者其它异常运动时，MEMS加速计将立即通知系统终止全部的硬盘驱动器（HDD）读写操作，并将磁头固定到安全位置。意法半导体的加速计还经常集成在洗衣机或烘干机等家电设备中，充当振动检测器，用于稳定失衡的负荷，防止机器出现过量的磨损而发生故障。

MEMS陀螺仪，也称角运动传感器，可以辅助加速计，使游戏机和遥控器的人机界面变得更加炫酷。这些陀螺仪还能消除晃动对数字摄像机或数码相机画质的影响，提高图像或相片的清晰度，并可使汽车导航增加航位推算和地图匹配功能。由于GPS卫星信号无法覆盖每一个角落，例如，在建筑物内或高楼林立的城区通常没有卫星信号，在这种情况下，航位推算系统通过监测运动、行程和海拔，修正数字罗盘读数，继续为用户提供准确的导航信息。

MEMS磁传感器测量地球磁场的强度和/或方向，因而能够确定以北极为参考轴的前进方向，增强便携消费电子产品的电子罗盘功能，包括方位定向、地图/显示屏定向、定位关联服务和航位推测。在一个9自由度（DoF） 多传感器模块内，磁传感器可补充加速度计和陀螺仪的功能。

压力传感器可满足应用对全量程和高分辨率的要求：应用实例包括手持设备的气压计功能和硬盘驱动器的“飞行高度”控制功能。随着硬盘驱动器小型化趋势和存储容量不断提高，磁头与盘面之间的距离极易受到气压变化的负面影响。

微加工声学器件，也称MEMS话筒，可提高现有的和新兴应用设备的音质、可靠性和成本效益，目标应用包括手机、笔记本电脑、录像机、数码相机以及助听器或电子听诊器。将多个MEMS话筒组合成阵列可实现更多功能，如噪声抑制和方向拾音。这在噪声很大和无法控制的环境内，对于提高声音清晰度很有帮助，可以有效提高移动会话和会议的音质。

对于智能手机和移动设备，主要使用的MEMS器件有加速度计，陀螺仪，磁力计，气压计，以及MEMS麦克风，主要应用于运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数、高清音频采集、其他体育和保健应用等等。这些MEMS技术都在很大程度上提高了用户体验，并带来了全新的电子消费产品。其中加速度计是该市场中第一大应用产品。而陀螺仪增长迅速，已经成为继加速度计后的第二大应用产品。

ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉介绍，高信噪比的MEMS麦克风能够有效提升录音、视频通话的质量，满足消费者对清晰通话的音质需求；新型MEMS气压计会带来室内导航应用的普及；而物联网和家庭医疗会是继汽车和消费类应用领域后，又一个杀手级的应用。其潜在的市场和增长趋势会像今天的智能手机一样。但目前该市场还缺乏统一的标准和客户的认知度，预计还需要2年左右的时间才会起量。

英飞凌科技中国区MEMS麦克风高级经理潘哲源详细介绍了MEMS麦克风因为轻薄和稳定性好的优势，在智能手机、数码摄像机和平板电脑等产品中应用有自己的优势，特别是因为其一致性可以做到非常好，所以在消噪和消回音系统的应用中具有传统麦克风无法比拟的优势，从而能够带来非常好的效果体验。未来智能手机中将会逐渐采用2-3个MEMS麦克风，这就提供了广阔的市场机遇，另一个庞大的市场机遇则来自于助听器市场。从技术上，准确度是MEMS麦克风最大的技术挑战，而确保一致性和灵敏度高则是必备的技术需求，在大音量情况下不能破音也是必须的技术条件。

智能传感器可实现更安全、健康、舒适的生活，村田制作所有智能化传感器概念及相应产品。例如，在养老院、医院等场所，通过在设备上搭载传感器采集相应信息之后通过 WIFI等通讯模块将信息传送到服务台，就可以在任何时间任何地点了解到信息。还有，现在社会上独居老人越来越多，怎样服务独居老人已经成为社会关注的话题。智能传感器概念可以免去他们去医院的烦恼，日常在家里监测，之后将这些信息传输到医院的信息库，就进行数据分析进而做到早期预测。村田在这一领域非常看重同时也有很大的投入。

MEMS传感器的高性能和可靠性、对时间和温度变化有极小的偏差即稳定性好等特性不会局限于目前的应用。在工业领域，MEMS传感器的运用主要会在地震预测，桥梁倒塌等事故的预测中。例如铁塔底下放置传感器后，即可得知在某个支撑点范围下铁塔是安全的，超过这个范围就会产生安全隐患。在国外的桥梁上已经有了使用传感器的案例。另外一个工业的应用就是在煤矿。运用在煤矿地下支撑脚的控制，减小塌方的可能性。农业方面，在耕地面积减少的情况下农业机械化和高产量的需求也使得农业开始需要高尖端的技术。未来的农业也会是个不同的景象，例如在插秧的设备上搭载MEMS传感器，它可以做到同角度高准确的种植，在同样的投入下收获更高的产量。

汽车级应用

传感器产品从传统的机械式、到电子、再到当前MEMS技术架构，从技术上讲传感器的精度、可靠性和性能都将有大幅度提升。但从应用来讲，不同的应用环境，对传感器产品的性能和技术要求是不一样的，比如汽车应用，产品要经过AEC-Q100的质量体系验证，测试通过了才可以用在汽车应用里。

汽车电子是MEMS传感器一个非常重要的应用方向，每台汽车会有40到上百个传感器，而汽车智慧化的发展趋势也将促进汽车市场对传感器的需求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统（ABS）、电子车身稳定程序（ESP）、电控悬挂（ECS）、电动手刹（EPB）、斜坡起动辅助（HAS）、胎压监控（EPMS）、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。其中电子车身稳定程序ESP得到众MEMS厂商的高度关注。由于其主动防滑功能要求更多的传感器和先进的处理系统，因此将带动汽车电子MEMS传统应用市场的需求。

在主动安全领域，侧翻与稳定性控制（ESC）是对当今主流安全系统的全新改进。需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。同时，由于这样的传感器往往安装在振动比较恶劣的位置，所以需要传感器具有很高的振动冲击抵御性。这是对MEMS传感器的一个挑战。已经发生的趋势是，TPMS和ESC系统的装车率在快速上升，同时标配ESC系统的车型也在不断增多。由此带来的电子系统数量和规模在不断扩充，尤其需要更多的MEMS传感器来感测碰撞的不同部位以及车身姿态。同时，多种传感器的融合，来降低系统复杂度和系统成本，也是另一个趋势。

英飞凌对MEMS传感器在未来汽车电子中的应用前景充满期待，其前景也非常广阔。根据IHS的报告，2012年全球车用MEMS传感器市场为24亿美元，而中国为3亿美元，占13%。到2017年，全球市场将增长33%，达到32亿美元，而中国市场会翻番，占全球市场的份额提高到19%。英飞凌的MEMS技术在磁性传感器、压力传感器、无线传感器及图像传感器在电子消费品、工业和汽车工业均有广泛的应用。英飞凌在侧安全气囊压力传感器和TPMS传感器领域处于全球领先的位置，同时在大气压力传感器和进气歧管压力传感器等领域也是全球主要的供应商。随着中国市场对汽车安全的重视，TPMS传感器的应用将会有一个显著的增长。英飞凌占据了全球市场的绝大多数份额。

MEMS传感器技术的发展方向

集成化与智能化趋势，需要MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的自动化。技术发展的主要趋势为：强调MEMS的系统性和传感器、处理与识别的协调发展，突破传感器同信息处理与识别技术与系统的研究、开发、生产、应用和改进分离的体制，按照信息论与系统论，应用工程的方法，同计算机技术和通讯技术协同发展。

除了继续在汽车电子、新型数字消费电子和医疗电子等领域获得快速发展，智能传感器将广泛应用于多个领域，如信息、航空航天、医学、生物学等方面，给人类发展带来深远影响。传感器与微控制器的结合，配合无线网络技术，则为传感器插上了智能的翅膀，感知中国就是智能传感器最典型的应用。低功耗而性能出色的微控制器加上高性能高集成低功耗的MEMS传感器，这是传感器技术未来发展的重要趋势，最新的苹果iPhone 5S里的协处理器其实就是这样的一种类似应用。

ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉给出了MEMS技术在未来的发展趋势，主要表现在以下几个方面：第一，微型化的同时降低功耗。将会出现微米甚至纳米级别的微型器件，同时降低功耗；第二，微型化的同时提高精度，将MEMS加速度计做到石英加速度计的噪声特性，保证MEMS陀螺仪小体积的同时获得光纤陀螺仪的零偏稳定性；第三，集成化及智慧化趋势，即MEMS与IC的集成制造技术及多参量MEMS传感器的集成制造技术得到发展，以及在集成化基础上使得信号检测具有一定的智慧。这些趋势要求半导体厂商提供更高精度、稳定性更好、更智能的高集成度MEMS传感器模块。

2 0 1 3年MEMS传感器市场的需求依然十分旺盛，这既有传统汽车和消费类市场的需求，也有新兴的工业、医疗、通信、测井、军工类的需求。室内导航应用会是促进新型MEMS气压计在2013起量的一个驱动因素；而随着人们对录音、视频通话等的质量要求越来越高，高信噪比的MEMS麦克风会用在越来越多的手机或平板电脑中，甚至是对麦克风要求极高的助听器中，随着高温MEMS器件通过越来越多的客户验证，在测井等极端工作领域，也会看到越来越多的MEMS产品，比如用于倾角和振动监测的加速度计，用于转速检测的陀螺仪等。而物联网和家庭医疗会是继汽车和消费类应用领域后，又一个杀手级的应用，其潜在的市场和增长趋势会像今天的智能手机一样。但目前该市场还缺乏统一的标准和客户的认知度，预计还需要2年左右的时间才会起量。

意法半导体大中华暨南亚区微电机系统&传感器高级市场部经理吴卫东介绍，位于MEMS技术发展最前沿的意法半导体已经开始在一个封装内整合多个传感器：加速计、陀螺仪、地磁计、压力传感器，这个多路传感器一体化解决方案可大幅提升各种应用设备的功能性和性能。iNEMO是这种发展趋势的一个典型实例。在这些多传感器产品内，集成传感器可实现自主和自动系统，监测特定的条件，并根据监测结果执行相应的操作，用户无需干预或只需稍加介入。此外，‘智能传感器’整合MEMS器件和处理功能，无需主处理器介入，独立运行传感器算法，从而能够降低系统级功耗，这对耗电量极大的手持设备非常重要。

ST具有重大突破意义的Lab-onChip芯片同样也利用了硅的电气特性和热特性，这个解决方案用成本低廉的一次性便携工具取代了成本昂贵、耗时的固定地点实验室分析过程。意法半导体的In-Check产品平台是业内首款通过精确控制热量来扩增DNA并进行微矩阵检测的基因芯片。因为硅的热特性非常出色，准许在同一芯片上实现电子温度控制，所以Lab-onChip芯片能够对DNA样本进行精确的加热和冷却处理，DNA分析结果的精确度可与价值数万美元的实验室媲美。与传统的诊断系统相比，MEMS因为外形小，耗电量少，只需很少的试剂，所以更能节省成本。

意法半导体还在医疗保健领域成功地应用微射流MEMS技术，例如，可以安装在一次性敷贴内的微型胰岛素注射泵。意法半导体与Debiotech公司合作开发的胰岛素注射泵能够精确模拟胰腺分泌过程，向人体持续输注胰岛素，同时还能检测注射泵可能存在的故障，为病患提供深一层的保护。基于MEMS的Jewel Pump采用大规模半导体制造技术，成本比现有的解决方案更容易让病患接受，同时，其可靠性和精确度是其它解决方案无法比拟的。

意法半导体的MEMS压力传感器还是另一项创新应用的核心技术：能够24小时检测和观察眼压变化的智能隐形眼镜。作为意法半导体与Sensimed的合作开发成果，这个独一无二的辅助诊断工具有助于专家提前发现青光眼，通过同步治疗方法与病患的内部生物钟能够使治疗效果最大化。

工艺技术挑战

MEMS产品从开发设计到批量生产，对制造和工艺提出了很高的要求，这包括光刻、外延、薄膜淀积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等。最大的挑战是如何保证量产中的良品率。杂质粘滞、氧化物残留、残余应力等影响，都会造成机械传感器失效。ADI微机械产品线高级应用工程师赵延辉介绍，ADI已通过改进机械结构和制造流程，保证了产品的良品率，并在这个过程中积累了大量的设计经验。对于体积更小，功耗更低、噪声更小、封装更小、温漂更小，供电电压更低的器件，ADI还在持续改进制造和工艺，以满足这些需求。特别的，与单纯的ASIC器件相比，MEMS传感器对工艺和架构有更高的要求，因其内部至少包含两个die，一个机械传感器的die，一个ASIC的die，晶圆的大小，多晶硅的厚度，对机械传感器的压力控制，die与die之间的位置关系等，都对器件的整体性能有影响。而随着ADI对每一个细节的关注和改善，会持续改进MEMS传感器的精度，进而会使得MEMS传感器在高精度倾角测量、工业机械振动检测、地震监测、高精度惯导中获得广泛的应用。

吴卫东则介绍，在前工序制造技术和工艺方面，意法半导体发现并解决了在各种应用领域大规模推广高效益的MEMS器件的关键问题。为了加快产品上市时间，实现规模经济效益，核心技术的标准化是极其重要的。作为MEMS技术标准化工作的领导者，意法半导体开发出了微致动器和加速计芯片厚外延层（ThELMA）工艺，这个0.8微米表面微加工技术可整合薄厚不一的多晶硅层，用于实现MEMS器件的结构和互连线。意法半导体采用加速计和陀螺仪的微加工技术，在一颗芯片内集成线性机械单元和角速机械单元，为客户带来巨大的成本效益和更小的产品尺寸。 意法半导体的VENSENS工艺（VENice process for SENSors）结合ThELMA工艺，可以在一个单晶硅芯片内整合一个空腔，制造一个尺寸和性能优异的压力传感器，使芯片变得更薄、更小，热稳定性和可靠性更高。

应用技术挑战

对于消费类应用来说，传感器融合的主要技术难度是如何控制产品的尺寸，如何合理测试每个传感器的性能，如何控制整个芯片的良品率并降低成本。对于工业、军工、汽车、医疗等领域的传感器融合来说，除了上面所列的各点外，还要考虑如何保证在各种工作情况下的精度、可靠性，如何利用融合的特性来实现传感器之间的补偿校正等，比如ADI的IMU系列产品在融合传感器的同时，利用其内置的处理器、温度传感器等对融合的传感器系统做了正交校正、温补校正等，并利用加速度计的测量值来补偿陀螺仪在受到加速度影响时的输出，这样就使传感器的融合实现了1 + 1 > 2。目前来看，消费类产品还是对组合传感器需求量最大的市场，尤其是智能手机和平板电脑，集成3轴加速度计和3轴陀螺仪，3轴加速度计和3轴磁力计，3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计的产品在短期内会有较大的市场，未来气压计也会被集成进来。

网络化和物联网的潜在市场巨大，它可以用来给每个人做实时的健康监测、给你关心的动物做状态监测、给你关心的财产做防盗监测等，这类应用的特点是每个终端的体积都非常小巧而且是电池供电的，所以芯片的体积和功耗是最关键的两个指标。随着这方面设备的小型化设计，对于内置器件的需求同样是小型化高机能，传感器及配套设施也要做到小巧精确，这是设计方面的挑战。还有就是应用方面传感器的提供方和使用方在技术上的配合会有一定的难度。村田制作所MEMS传感器产品技术部经理Fang Tuurnala介绍，现在汽车电子方面有组合式传感器的应用，即组合式陀螺仪和加速度传感器，日后还会加入压力传感器。行车过程中会有加速度传感器在起作用，而一旦翻车后的话就会使用到陀螺仪的，加上压力传感器，则可应用在胎压的监测上。在其他领域，为了智能手机的明确定位可以加压力传感器监测所在位置及高度。还有，在婴儿床上搭载传感器可以用来监测婴儿心跳等等。可以说，传感器的应用会向着智能化，小巧化以及高精度的方向不断发展。

整合传感器系统，也是未来应用趋势对传感器技术提出的挑战。对于自由落体检测、屏幕旋转、计步器、倾斜角度测量和运动检测等应用任务，仅一个加速度计即可胜任。然而，对于定位服务（LBS）、增强型运动控制游戏、行人航位推测导航、机器人平衡、空中鼠标、人体跟踪、无人飞行器等先进应用，要想在测量精度、分辨率、稳定性和响应时间等方面取得更高的系统级性能，就需要把MEMS传感器整合在一起，这个概念利用各种传感器提供的不同的具有互补性的信息，运用智能技术整合这些信息，达到优化系统性能的目的，实现令人震撼的新应用。