隨著電子技術(shù)的發(fā)展，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，由最早的工業(yè)、軍用航空應(yīng)用走向普通的民用和消費(fèi)市場(chǎng)。MEMS傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件，對(duì)各種傳感裝置的微型化起著巨大的推動(dòng)作用，已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、航空航天設(shè)備、飛機(jī)、各種車(chē)輛、生特醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
MEMS傳感器作為獲取信息的關(guān)鍵器件，對(duì)各種傳感裝置的微型化起著巨大的推動(dòng)作用，已在太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、航空航天設(shè)備、飛機(jī)、各種車(chē)輛、生特醫(yī)學(xué)及消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，由最早的工業(yè)、軍用航空應(yīng)用走向普通的民用和消費(fèi)市場(chǎng)。在智能手機(jī)上，MEMS傳感器提供在聲音性能、場(chǎng)景切換、手勢(shì)識(shí)別、方向定位、以及溫度/壓力/濕度傳感器等廣泛的應(yīng)用;在汽車(chē)上，MEMS傳感器借助氣囊碰撞傳感器、胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)和車(chē)輛穩(wěn)定性控制增強(qiáng)車(chē)輛的性能;醫(yī)療領(lǐng)域，通過(guò)MEMS傳感器研成功制出微型胰島素注射泵，并使心臟搭橋移植和人工細(xì)胞組織成為現(xiàn)實(shí)中可實(shí)際使用的治療方式;在可穿戴應(yīng)用中，MEMS傳感器可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)追蹤、心跳速率測(cè)量等。
汽車(chē)電子MEMS傳感器的應(yīng)用
汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為是MEMS傳感器的第一波應(yīng)用高潮的推動(dòng)者，MEMS傳感器在汽車(chē)上應(yīng)用的快速發(fā)展主要是受益于各國(guó)政府全面推出汽車(chē)安全規(guī)定(比如要求所有汽車(chē)采用TPMS系統(tǒng))和汽車(chē)智慧化的發(fā)展趨勢(shì)。全球平均每輛汽車(chē)包含10個(gè)傳感器，在高檔汽車(chē)中，大約采用25至40只MEMS傳感器，車(chē)越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽車(chē)上就有70多只MEMS。MEMS傳感器可滿足汽車(chē)環(huán)境苛刻、可靠性高、精度準(zhǔn)確、成本低的要求。其應(yīng)用方向和市場(chǎng)需求包括車(chē)輛的防抱死系統(tǒng)(ABS)、電子車(chē)身穩(wěn)定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動(dòng)手剎(EPB)、斜坡起動(dòng)輔助(HAS)、胎壓監(jiān)控(EPMS)、引擎防抖、車(chē)輛傾角計(jì)量和車(chē)內(nèi)心跳檢測(cè)等等。
目前，壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺儀與流量傳感器四類器件合計(jì)占汽車(chē)MEMS系統(tǒng)的99%。
MEMS壓力傳感器
MEMS壓力傳感器是汽車(chē)中應(yīng)用最多的傳感器， 至少18個(gè)汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域促進(jìn)壓力傳感器的增長(zhǎng)，包括：輪胎壓力，電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的剎車(chē)傳感器，側(cè)面氣囊，與日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的引擎控制，大氣壓力與廢氣再循環(huán)壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度。車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。
MEMS加速度計(jì)
MEMS加速度計(jì)的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測(cè)質(zhì)量組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的檢測(cè)，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計(jì)還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計(jì)具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點(diǎn)，是MEMS微加速度計(jì)中的主流產(chǎn)品。
微陀螺儀
微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統(tǒng)，主要有振動(dòng)式、轉(zhuǎn)子式等幾種。應(yīng)用最多的屬于振動(dòng)陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來(lái)感測(cè)角速度。例如汽車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)陀螺儀測(cè)量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車(chē)輪上加上適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道，通常，它與低加速度計(jì)一起構(gòu)成主動(dòng)控制系統(tǒng)。
MEMS流量傳感器
MEMS流量傳感器是基于傳統(tǒng)的熱膜片風(fēng)力計(jì)原理借助先進(jìn)的薄膜片技術(shù)，將性能穩(wěn)定的薄膜片電阻加工到一片薄膜上。由于采用了MEMS加工，因此一方面縮短了傳感器響應(yīng)時(shí)間，另一方面由于采用了前后橋電路，可以判斷出流體流向，從而進(jìn)一步測(cè)量出回流流量。為了防止溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對(duì)前后橋進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。流量傳感器主要用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)氣量和燃油噴射量，從而將空燃比控制在最佳值附近，此外流量傳感器還廣泛利用于排氣再循環(huán)、防滑驅(qū)動(dòng)、剎車(chē)防抱死系統(tǒng)以及電控懸架等許多方面。
按銷(xiāo)售額計(jì)算，最大的五種汽車(chē)MEMS應(yīng)用按降序排名是：ESC，安全氣囊，進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力(MAP)，TPMS與翻滾探測(cè)。 消費(fèi)類電子MEMS傳感器的應(yīng)用 隨著消費(fèi)電子領(lǐng)域大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，特別是受益于智能手機(jī)和平板電板的快速發(fā)展，消費(fèi)電子已經(jīng)取代汽車(chē)領(lǐng)域成為MEMS最大的應(yīng)用市場(chǎng)。其中手機(jī)和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費(fèi)類電子MEMS傳感器類市場(chǎng)的90%。
MEMS傳感器在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用包括運(yùn)動(dòng)/墜落檢測(cè)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補(bǔ)償、游戲/人機(jī)界面、電源管理、GPS增強(qiáng)/盲區(qū)消除、速度/距離計(jì)數(shù)等等，這些MEMS技術(shù)都在很大程度上提高了用戶體驗(yàn)。
終端設(shè)備內(nèi)的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器墜落保護(hù) 是MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器在消費(fèi)電子市場(chǎng)的具有重要?dú)v史意義的代表性應(yīng)用之一。手提電腦內(nèi)的三軸加速計(jì)可以監(jiān)測(cè)加速度，因?yàn)榫哂刑囟ǖ墓δ芎蛿?shù)據(jù)處理電路，它能夠檢測(cè)到硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的意外摔落事故，并及時(shí)命令讀寫(xiě)頭縮回到安全位置，以防電腦最終摔落在地板上時(shí)損壞讀寫(xiě)頭。
手機(jī) 是MEMS在消費(fèi)類產(chǎn)品中最大的應(yīng)用領(lǐng)域。包含MEMS麥克風(fēng)、3D加速器、RF被動(dòng)與主動(dòng)組件、相機(jī)穩(wěn)定與GPS的陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等，應(yīng)用最多的傳感器是加速計(jì)、陀螺儀與MEMS硅麥克風(fēng)，其中加速度計(jì)是該市場(chǎng)中第一大應(yīng)用產(chǎn)品。而近期陀螺儀增長(zhǎng)迅速，已經(jīng)成為繼加速度計(jì)后的第二大應(yīng)用產(chǎn)品。
MEMS麥克風(fēng)銷(xiāo)售額2015年已經(jīng)突破10億美元，美國(guó)IHS全球產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告表示全球MEMS麥克風(fēng)市場(chǎng)仍將連續(xù)5年維持18%的年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)。還有一些MEMS傳感器或剛進(jìn)入市場(chǎng)的，例如磁力計(jì)、指紋傳感器、環(huán)境傳感器、MEMS手機(jī)攝像頭等。而MEMS傳感器在手機(jī)應(yīng)用的數(shù)量規(guī)模以及多樣性，也仍不斷在快速成長(zhǎng)當(dāng)中。
蘋(píng)果(Apple)公司于2007年首度將微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)加速度計(jì)應(yīng)用在iPhone中，開(kāi)啟手機(jī)產(chǎn)業(yè)的傳感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤(pán)、氣壓計(jì)、指紋傳感器、接近與環(huán)境光傳感器、MEMS麥克風(fēng)和Image Sensor等MEMS傳感器。截至目前為止，Apple公司已擁有超過(guò)三百五十篇以上與傳感器相關(guān)的發(fā)明專利，而申請(qǐng)內(nèi)容包括觸控、影像、運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)感測(cè)、數(shù)據(jù)運(yùn)算、掉落感知及亮度感知等等。
游戲機(jī) 是運(yùn)動(dòng)跟蹤和手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戲機(jī)為例， 采用了MEMS三軸加速度計(jì)，能夠捕捉到玩家任何細(xì)微的動(dòng)作，使玩家陶醉于真實(shí)的游戲體驗(yàn)，通過(guò)不同的動(dòng)作融入到游戲中，例如，模仿一場(chǎng)真實(shí)的網(wǎng)球賽、一場(chǎng)引人入勝高爾夫球賽、一場(chǎng)緊張的拳擊賽或輕松的釣魚(yú)比賽的動(dòng)作。
高能效低價(jià)微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動(dòng)終端設(shè)備的互動(dòng)方式。在各類移動(dòng)終端、游戲機(jī)、遙控器等設(shè)備上，MEMS傳感器可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的功能，令人心動(dòng)的用戶界面，用戶的手勢(shì)、碰摸就能夠激活相應(yīng)的功能。為消費(fèi)電子產(chǎn)品的升級(jí)、換代劃成一個(gè)里程碑式的注腳。
智能穿戴裝置 是目前最熱門(mén)的新興產(chǎn)品，其所使用的感測(cè)組件，無(wú)論在尺寸、耗電量、感測(cè)靈敏度或是組件可靠度上，通常皆須面對(duì)更嚴(yán)苛的要求。最成功的組件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風(fēng)，包括Google、Apple、微軟(Microsoft)、摩托羅拉(Motorola)等多家知名大廠，皆已將此兩組件整合在自家的穿戴裝置產(chǎn)品內(nèi)，成為其傳感器標(biāo)準(zhǔn)配備。
智能穿戴裝置兩大功能項(xiàng)目在于量化生活(QuanTIfied Self)及隨身環(huán)境安全監(jiān)測(cè)。其所需感測(cè)功能大致可包括活動(dòng)感知、影像感測(cè)、環(huán)境感測(cè)及生理感測(cè)四大類別。MEMS組件在穿戴裝置上的應(yīng)用訴求，是使系統(tǒng)達(dá)到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。
健身和健康監(jiān)測(cè)就是MEMS傳感器在智能穿戴裝置中的代表性的應(yīng)用。計(jì)步表或計(jì)步器是利用三軸MEMS加速度傳感器，在特定的情況下，計(jì)步器的傳感器能夠精確地測(cè)定在步行和跑步過(guò)程中作用在系統(tǒng)上的加速度，通過(guò)處理加速度數(shù)據(jù)，計(jì)步器顯示用戶走過(guò)的步數(shù)和速度，以及在身體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所消耗掉的熱量。
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