MEMS遇見傳感器，改變生活就此開始

摘要：通過分析MEMS和傳感器技術融合的最新進展，介紹最新的MEMS傳感器技術的應用及為智能設備帶來的全新應用體驗。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/170153.htm

關鍵詞：MEMS；傳感器；智能設備

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.10.001

廣義上說，傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器接收信號或刺激并反應，并將待測物理量或化學量轉換成另一對應輸出，主要用于自動化控制、安防設備等。市場對傳感器的需求隨著應用的不同其需求重點不同，如工業過程控制還是集中在溫度、壓力、流量及圖像系統方面。一般消費產品像手機里面的輕觸式感應系統、陀螺儀，圖像等器件。而在汽車工業里，除了傳統的溫度、壓力、速度、及流量等傳統信號感應系統外，越來越多的圖像和雷達系統被應用到了汽車的安全系統應用中。這些新興的應用都將具有廣闊的市場前景。

作為一種精細化機械工藝，MEMS（微機電系統）技術深受運動、加速度、傾斜以及振動等傳感器應用的歡迎。今天的MEMS傳感器是系統級封裝解決方案，與傳統的傳感器技術相比，MEMS體積小、重量輕、成本低、能耗低、可靠性高、易于批量生產、智能化高。而借助MEMS技術帶給傳感器的這些優勢，又為傳感器打開了更多全新應用之門。

村田制作所MEMS傳感器產品技術部經理Fang Tuurnala介紹，MEMS傳感器的高性能和可靠性、對時間和溫度變化有極小的偏差即穩定性好等特性不會局限于目前的應用。在工業領域，MEMS傳感器的運用主要會在地震預測，橋梁倒塌等事故的預測中。例如鐵塔底下放置傳感器后，即可得知在某個支撐點范圍下鐵塔是安全的，超過這個范圍就會產生安全隱患。在國外的橋梁上已經有了使用傳感器的案例。另外一個工業的應用就是在煤礦。運用在煤礦地下支撐腳的控制，減小塌方的可能性。農業方面，在耕地面積減少的情況下農業機械化和高產量的需求也使得農業開始需要高尖端的技術。未來的農業也會是個不同的景象，例如在插秧的設備上搭載MEMS傳感器，它可以做到同角度高準確的種植，在同樣的投入下收獲更高的產量。MEMS傳感器在中國有10年多的發展，但是推廣不夠立體，市場需求并不明顯等原因實際實際應用還不多。因此，在國內推廣此產品會需要比較長的周期，展望未來，MEMS傳感器在汽車電子等領域對高尖端傳感器的需求會不斷增加。

消費級應用

在消費產品中，現在不論是走路還是打電話，都會用到不同程度的傳感器。除了市場比較成熟的常用傳感器之外，高精度傳感器產品的日后需求將會越來越多。

MEMS加速傳感器和陀螺儀讓設備廠商研制出各種高性價比的運動控制型設備，并取得市場成功。這些傳感器能夠給手機、MP3/MP4播放器、PDA、平板電腦或游戲機控制器增加智能人機界面，把用戶的手腕、胳膊和手的運動與應用程序、頁面內以及頁面之間的瀏覽、游戲機中的人物動作等設備功能聯系起來，實現真正意義的人機互動。

便攜設備中的數據保護是MEMS傳感器的另一種應用。當出現自由墜落或者其它異常運動時，MEMS加速計將立即通知系統終止全部的硬盤驅動器（HDD）讀寫操作，并將磁頭固定到安全位置。意法半導體的加速計還經常集成在洗衣機或烘干機等家電設備中，充當振動檢測器，用于穩定失衡的負荷，防止機器出現過量的磨損而發生故障。

MEMS陀螺儀，也稱角運動傳感器，可以輔助加速計，使游戲機和遙控器的人機界面變得更加炫酷。這些陀螺儀還能消除晃動對數字攝像機或數碼相機畫質的影響，提高圖像或相片的清晰度，并可使汽車導航增加航位推算和地圖匹配功能。由于GPS衛星信號無法覆蓋每一個角落，例如，在建筑物內或高樓林立的城區通常沒有衛星信號，在這種情況下，航位推算系統通過監測運動、行程和海拔，修正數字羅盤讀數，繼續為用戶提供準確的導航信息。

MEMS磁傳感器測量地球磁場的強度和/或方向，因而能夠確定以北極為參考軸的前進方向，增強便攜消費電子產品的電子羅盤功能，包括方位定向、地圖/顯示屏定向、定位關聯服務和航位推測。在一個9自由度（DoF） 多傳感器模塊內，磁傳感器可補充加速度計和陀螺儀的功能。

壓力傳感器可滿足應用對全量程和高分辨率的要求：應用實例包括手持設備的氣壓計功能和硬盤驅動器的“飛行高度”控制功能。隨著硬盤驅動器小型化趨勢和存儲容量不斷提高，磁頭與盤面之間的距離極易受到氣壓變化的負面影響。

微加工聲學器件，也稱MEMS話筒，可提高現有的和新興應用設備的音質、可靠性和成本效益，目標應用包括手機、筆記本電腦、錄像機、數碼相機以及助聽器或電子聽診器。將多個MEMS話筒組合成陣列可實現更多功能，如噪聲抑制和方向拾音。這在噪聲很大和無法控制的環境內，對于提高聲音清晰度很有幫助，可以有效提高移動會話和會議的音質。

對于智能手機和移動設備，主要使用的MEMS器件有加速度計，陀螺儀，磁力計，氣壓計，以及MEMS麥克風，主要應用于運動/墜落檢測、導航數據補償、游戲/人機界面、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數、高清音頻采集、其他體育和保健應用等等。這些MEMS技術都在很大程度上提高了用戶體驗，并帶來了全新的電子消費產品。其中加速度計是該市場中第一大應用產品。而陀螺儀增長迅速，已經成為繼加速度計后的第二大應用產品。

ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝介紹，高信噪比的MEMS麥克風能夠有效提升錄音、視頻通話的質量，滿足消費者對清晰通話的音質需求；新型MEMS氣壓計會帶來室內導航應用的普及；而物聯網和家庭醫療會是繼汽車和消費類應用領域后，又一個殺手級的應用。其潛在的市場和增長趨勢會像今天的智能手機一樣。但目前該市場還缺乏統一的標準和客戶的認知度，預計還需要2年左右的時間才會起量。

英飛凌科技中國區MEMS麥克風高級經理潘哲源詳細介紹了MEMS麥克風因為輕薄和穩定性好的優勢，在智能手機、數碼攝像機和平板電腦等產品中應用有自己的優勢，特別是因為其一致性可以做到非常好，所以在消噪和消回音系統的應用中具有傳統麥克風無法比擬的優勢，從而能夠帶來非常好的效果體驗。未來智能手機中將會逐漸采用2-3個MEMS麥克風，這就提供了廣闊的市場機遇，另一個龐大的市場機遇則來自于助聽器市場。從技術上，準確度是MEMS麥克風最大的技術挑戰，而確保一致性和靈敏度高則是必備的技術需求，在大音量情況下不能破音也是必須的技術條件。

智能傳感器可實現更安全、健康、舒適的生活，村田制作所有智能化傳感器概念及相應產品。例如，在養老院、醫院等場所，通過在設備上搭載傳感器采集相應信息之后通過 WIFI等通訊模塊將信息傳送到服務臺，就可以在任何時間任何地點了解到信息。還有，現在社會上獨居老人越來越多，怎樣服務獨居老人已經成為社會關注的話題。智能傳感器概念可以免去他們去醫院的煩惱，日常在家里監測，之后將這些信息傳輸到醫院的信息庫，就進行數據分析進而做到早期預測。村田在這一領域非?？粗赝瑫r也有很大的投入。

MEMS傳感器的高性能和可靠性、對時間和溫度變化有極小的偏差即穩定性好等特性不會局限于目前的應用。在工業領域，MEMS傳感器的運用主要會在地震預測，橋梁倒塌等事故的預測中。例如鐵塔底下放置傳感器后，即可得知在某個支撐點范圍下鐵塔是安全的，超過這個范圍就會產生安全隱患。在國外的橋梁上已經有了使用傳感器的案例。另外一個工業的應用就是在煤礦。運用在煤礦地下支撐腳的控制，減小塌方的可能性。農業方面，在耕地面積減少的情況下農業機械化和高產量的需求也使得農業開始需要高尖端的技術。未來的農業也會是個不同的景象，例如在插秧的設備上搭載MEMS傳感器，它可以做到同角度高準確的種植，在同樣的投入下收獲更高的產量。

汽車級應用

傳感器產品從傳統的機械式、到電子、再到當前MEMS技術架構，從技術上講傳感器的精度、可靠性和性能都將有大幅度提升。但從應用來講，不同的應用環境，對傳感器產品的性能和技術要求是不一樣的，比如汽車應用，產品要經過AEC-Q100的質量體系驗證，測試通過了才可以用在汽車應用里。

汽車電子是MEMS傳感器一個非常重要的應用方向，每臺汽車會有40到上百個傳感器，而汽車智慧化的發展趨勢也將促進汽車市場對傳感器的需求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統（ABS）、電子車身穩定程序（ESP）、電控懸掛（ECS）、電動手剎（EPB）、斜坡起動輔助（HAS）、胎壓監控（EPMS）、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等等。其中電子車身穩定程序ESP得到眾MEMS廠商的高度關注。由于其主動防滑功能要求更多的傳感器和先進的處理系統，因此將帶動汽車電子MEMS傳統應用市場的需求。

在主動安全領域，側翻與穩定性控制（ESC）是對當今主流安全系統的全新改進。需要MEMS加速度傳感器和角速度傳感器來感測車身姿態。同時，由于這樣的傳感器往往安裝在振動比較惡劣的位置，所以需要傳感器具有很高的振動沖擊抵御性。這是對MEMS傳感器的一個挑戰。已經發生的趨勢是，TPMS和ESC系統的裝車率在快速上升，同時標配ESC系統的車型也在不斷增多。由此帶來的電子系統數量和規模在不斷擴充，尤其需要更多的MEMS傳感器來感測碰撞的不同部位以及車身姿態。同時，多種傳感器的融合，來降低系統復雜度和系統成本，也是另一個趨勢。

英飛凌對MEMS傳感器在未來汽車電子中的應用前景充滿期待，其前景也非常廣闊。根據IHS的報告，2012年全球車用MEMS傳感器市場為24億美元，而中國為3億美元，占13%。到2017年，全球市場將增長33%，達到32億美元，而中國市場會翻番，占全球市場的份額提高到19%。英飛凌的MEMS技術在磁性傳感器、壓力傳感器、無線傳感器及圖像傳感器在電子消費品、工業和汽車工業均有廣泛的應用。英飛凌在側安全氣囊壓力傳感器和TPMS傳感器領域處于全球領先的位置，同時在大氣壓力傳感器和進氣歧管壓力傳感器等領域也是全球主要的供應商。隨著中國市場對汽車安全的重視，TPMS傳感器的應用將會有一個顯著的增長。英飛凌占據了全球市場的絕大多數份額。

MEMS傳感器技術的發展方向

集成化與智能化趨勢，需要MEMS與IC的集成制造技術及多參量MEMS傳感器的集成制造技術得到發展，以及在集成化基礎上使得信號檢測具有一定的自動化。技術發展的主要趨勢為：強調MEMS的系統性和傳感器、處理與識別的協調發展，突破傳感器同信息處理與識別技術與系統的研究、開發、生產、應用和改進分離的體制，按照信息論與系統論，應用工程的方法，同計算機技術和通訊技術協同發展。

除了繼續在汽車電子、新型數字消費電子和醫療電子等領域獲得快速發展，智能傳感器將廣泛應用于多個領域，如信息、航空航天、醫學、生物學等方面，給人類發展帶來深遠影響。傳感器與微控制器的結合，配合無線網絡技術，則為傳感器插上了智能的翅膀，感知中國就是智能傳感器最典型的應用。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傳感器，這是傳感器技術未來發展的重要趨勢，最新的蘋果iPhone 5S里的協處理器其實就是這樣的一種類似應用。

ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝給出了MEMS技術在未來的發展趨勢，主要表現在以下幾個方面：第一，微型化的同時降低功耗。將會出現微米甚至納米級別的微型器件，同時降低功耗；第二，微型化的同時提高精度，將MEMS加速度計做到石英加速度計的噪聲特性，保證MEMS陀螺儀小體積的同時獲得光纖陀螺儀的零偏穩定性；第三，集成化及智慧化趨勢，即MEMS與IC的集成制造技術及多參量MEMS傳感器的集成制造技術得到發展，以及在集成化基礎上使得信號檢測具有一定的智慧。這些趨勢要求半導體廠商提供更高精度、穩定性更好、更智能的高集成度MEMS傳感器模塊。

2 0 1 3年MEMS傳感器市場的需求依然十分旺盛，這既有傳統汽車和消費類市場的需求，也有新興的工業、醫療、通信、測井、軍工類的需求。室內導航應用會是促進新型MEMS氣壓計在2013起量的一個驅動因素；而隨著人們對錄音、視頻通話等的質量要求越來越高，高信噪比的MEMS麥克風會用在越來越多的手機或平板電腦中，甚至是對麥克風要求極高的助聽器中，隨著高溫MEMS器件通過越來越多的客戶驗證，在測井等極端工作領域，也會看到越來越多的MEMS產品，比如用于傾角和振動監測的加速度計，用于轉速檢測的陀螺儀等。而物聯網和家庭醫療會是繼汽車和消費類應用領域后，又一個殺手級的應用，其潛在的市場和增長趨勢會像今天的智能手機一樣。但目前該市場還缺乏統一的標準和客戶的認知度，預計還需要2年左右的時間才會起量。

意法半導體大中華暨南亞區微電機系統傳感器高級市場部經理吳衛東介紹，位于MEMS技術發展最前沿的意法半導體已經開始在一個封裝內整合多個傳感器：加速計、陀螺儀、地磁計、壓力傳感器，這個多路傳感器一體化解決方案可大幅提升各種應用設備的功能性和性能。iNEMO是這種發展趨勢的一個典型實例。在這些多傳感器產品內，集成傳感器可實現自主和自動系統，監測特定的條件，并根據監測結果執行相應的操作，用戶無需干預或只需稍加介入。此外，‘智能傳感器’整合MEMS器件和處理功能，無需主處理器介入，獨立運行傳感器算法，從而能夠降低系統級功耗，這對耗電量極大的手持設備非常重要。

ST具有重大突破意義的Lab-onChip芯片同樣也利用了硅的電氣特性和熱特性，這個解決方案用成本低廉的一次性便攜工具取代了成本昂貴、耗時的固定地點實驗室分析過程。意法半導體的In-Check產品平臺是業內首款通過精確控制熱量來擴增DNA并進行微矩陣檢測的基因芯片。因為硅的熱特性非常出色，準許在同一芯片上實現電子溫度控制，所以Lab-onChip芯片能夠對DNA樣本進行精確的加熱和冷卻處理，DNA分析結果的精確度可與價值數萬美元的實驗室媲美。與傳統的診斷系統相比，MEMS因為外形小，耗電量少，只需很少的試劑，所以更能節省成本。

意法半導體還在醫療保健領域成功地應用微射流MEMS技術，例如，可以安裝在一次性敷貼內的微型胰島素注射泵。意法半導體與Debiotech公司合作開發的胰島素注射泵能夠精確模擬胰腺分泌過程，向人體持續輸注胰島素，同時還能檢測注射泵可能存在的故障，為病患提供深一層的保護。基于MEMS的Jewel Pump采用大規模半導體制造技術，成本比現有的解決方案更容易讓病患接受，同時，其可靠性和精確度是其它解決方案無法比擬的。

意法半導體的MEMS壓力傳感器還是另一項創新應用的核心技術：能夠24小時檢測和觀察眼壓變化的智能隱形眼鏡。作為意法半導體與Sensimed的合作開發成果，這個獨一無二的輔助診斷工具有助于專家提前發現青光眼，通過同步治療方法與病患的內部生物鐘能夠使治療效果最大化。

工藝技術挑戰

MEMS產品從開發設計到批量生產，對制造和工藝提出了很高的要求，這包括光刻、外延、薄膜淀積、氧化、擴散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕、劃片和封裝等。最大的挑戰是如何保證量產中的良品率。雜質粘滯、氧化物殘留、殘余應力等影響，都會造成機械傳感器失效。ADI微機械產品線高級應用工程師趙延輝介紹，ADI已通過改進機械結構和制造流程，保證了產品的良品率，并在這個過程中積累了大量的設計經驗。對于體積更小，功耗更低、噪聲更小、封裝更小、溫漂更小，供電電壓更低的器件，ADI還在持續改進制造和工藝，以滿足這些需求。特別的，與單純的ASIC器件相比，MEMS傳感器對工藝和架構有更高的要求，因其內部至少包含兩個die，一個機械傳感器的die，一個ASIC的die，晶圓的大小，多晶硅的厚度，對機械傳感器的壓力控制，die與die之間的位置關系等，都對器件的整體性能有影響。而隨著ADI對每一個細節的關注和改善，會持續改進MEMS傳感器的精度，進而會使得MEMS傳感器在高精度傾角測量、工業機械振動檢測、地震監測、高精度慣導中獲得廣泛的應用。

吳衛東則介紹，在前工序制造技術和工藝方面，意法半導體發現并解決了在各種應用領域大規模推廣高效益的MEMS器件的關鍵問題。為了加快產品上市時間，實現規模經濟效益，核心技術的標準化是極其重要的。作為MEMS技術標準化工作的領導者，意法半導體開發出了微致動器和加速計芯片厚外延層（ThELMA）工藝，這個0.8微米表面微加工技術可整合薄厚不一的多晶硅層，用于實現MEMS器件的結構和互連線。意法半導體采用加速計和陀螺儀的微加工技術，在一顆芯片內集成線性機械單元和角速機械單元，為客戶帶來巨大的成本效益和更小的產品尺寸。 意法半導體的VENSENS工藝（VENice process for SENSors）結合ThELMA工藝，可以在一個單晶硅芯片內整合一個空腔，制造一個尺寸和性能優異的壓力傳感器，使芯片變得更薄、更小，熱穩定性和可靠性更高。

應用技術挑戰

對于消費類應用來說，傳感器融合的主要技術難度是如何控制產品的尺寸，如何合理測試每個傳感器的性能，如何控制整個芯片的良品率并降低成本。對于工業、軍工、汽車、醫療等領域的傳感器融合來說，除了上面所列的各點外，還要考慮如何保證在各種工作情況下的精度、可靠性，如何利用融合的特性來實現傳感器之間的補償校正等，比如ADI的IMU系列產品在融合傳感器的同時，利用其內置的處理器、溫度傳感器等對融合的傳感器系統做了正交校正、溫補校正等，并利用加速度計的測量值來補償陀螺儀在受到加速度影響時的輸出，這樣就使傳感器的融合實現了1 + 1 > 2。目前來看，消費類產品還是對組合傳感器需求量最大的市場，尤其是智能手機和平板電腦，集成3軸加速度計和3軸陀螺儀，3軸加速度計和3軸磁力計，3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計的產品在短期內會有較大的市場，未來氣壓計也會被集成進來。

網絡化和物聯網的潛在市場巨大，它可以用來給每個人做實時的健康監測、給你關心的動物做狀態監測、給你關心的財產做防盜監測等，這類應用的特點是每個終端的體積都非常小巧而且是電池供電的，所以芯片的體積和功耗是最關鍵的兩個指標。隨著這方面設備的小型化設計，對于內置器件的需求同樣是小型化高機能，傳感器及配套設施也要做到小巧精確，這是設計方面的挑戰。還有就是應用方面傳感器的提供方和使用方在技術上的配合會有一定的難度。村田制作所MEMS傳感器產品技術部經理Fang Tuurnala介紹，現在汽車電子方面有組合式傳感器的應用，即組合式陀螺儀和加速度傳感器，日后還會加入壓力傳感器。行車過程中會有加速度傳感器在起作用，而一旦翻車后的話就會使用到陀螺儀的，加上壓力傳感器，則可應用在胎壓的監測上。在其他領域，為了智能手機的明確定位可以加壓力傳感器監測所在位置及高度。還有，在嬰兒床上搭載傳感器可以用來監測嬰兒心跳等等。可以說，傳感器的應用會向著智能化，小巧化以及高精度的方向不斷發展。

整合傳感器系統，也是未來應用趨勢對傳感器技術提出的挑戰。對于自由落體檢測、屏幕旋轉、計步器、傾斜角度測量和運動檢測等應用任務，僅一個加速度計即可勝任。然而，對于定位服務（LBS）、增強型運動控制游戲、行人航位推測導航、機器人平衡、空中鼠標、人體跟蹤、無人飛行器等先進應用，要想在測量精度、分辨率、穩定性和響應時間等方面取得更高的系統級性能，就需要把MEMS傳感器整合在一起，這個概念利用各種傳感器提供的不同的具有互補性的信息，運用智能技術整合這些信息，達到優化系統性能的目的，實現令人震撼的新應用。