發布日期：2022-05-11 點擊率：174
MEMS傳感器作為獲取信息的關鍵器件，對各種傳感裝置的微型化起著巨大的推動作用，已在太空衛星、運載火箭、航空航天設備、飛機、各種車輛、生特醫學及消費電子產品等領域中得到了廣泛的應用。
隨著電子技術的發展，MEMS的應用領域越來越廣泛，由最早的工業、軍用航空應用走向普通的民用和消費市場。在智能手機上，MEMS傳感器提供在聲音性能、場景切換、手勢識別、方向定位、以及溫度/壓力/濕度傳感器等廣泛的應用；在汽車上，MEMS傳感器借助氣囊碰撞傳感器、胎壓監測系統（TPMS）和車輛穩定性控制增強車輛的性能；醫療領域，通過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胞組織成為現實中可實際使用的治療方式；在可穿戴應用中，MEMS傳感器可實現運動追蹤、心跳速率測量等。
汽車電子MEMS傳感器的應用
汽車電子產業被認為是MEMS傳感器的第一波應用高潮的推動者，MEMS傳感器在汽車上應用的快速發展主要是受益于各國政府全面推出汽車安全規定（比如要求所有汽車采用TPMS系統）和汽車智慧化的發展趨勢。全球平均每輛汽車包含10個傳感器，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，車越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽車上就有70多只MEMS。MEMS傳感器可滿足汽車環境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求。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。
目前，壓力傳感器、加速度計、陀螺儀與流量傳感器四類器件合計占汽車MEMS系統的99%。
MEMS壓力傳感器
MEMS壓力傳感器是汽車中應用最多的傳感器， 至少18個汽車應用領域促進壓力傳感器的增長，包括：輪胎壓力，電子穩定控制系統中的剎車傳感器，側面氣囊，與日益嚴格的排放標準相關的引擎控制，大氣壓力與廢氣再循環壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。
MEMS加速度計
MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經典力學定律，通常由懸掛系統和檢測質量組成，通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產品。
微陀螺儀
微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統，主要有振動式、轉子式等幾種。應用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質量塊在被基座帶動旋轉時產生的哥氏效應來感測角速度。例如汽車在轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內側或者外側車輪上加上適當的制動以防止汽車脫離車道，通常，它與低加速度計一起構成主動控制系統。
MEMS流量傳感器
MEMS流量傳感器是基于傳統的熱膜片風力計原理借助先進的薄膜片技術，將性能穩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時間，另一方面由于采用了前后橋電路，可以判斷出流體流向，從而進一步測量出回流流量。為了防止溫度變化對測量精度的影響，傳感器中采用了兩片熱敏電阻分別對前后橋進行了溫度補償。流量傳感器主要用于檢測發動機的空氣進氣量和燃油噴射量，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、防滑驅動、剎車防抱死系統以及電控懸架等許多方面。
按銷售額計算，最大的五種汽車MEMS應用按降序排名是：ESC，安全氣囊，進氣歧管絕對壓力（MAP），TPMS與翻滾探測。
消費類電子MEMS傳感器的應用
隨著消費電子領域大發展及產品創新不斷涌現，特別是受益于智能手機和平板電板的快速發展，消費電子已經取代汽車領域成為MEMS最大的應用市場。其中手機和平板電腦中的MEMS傳感器幾乎占了消費類電子MEMS傳感器類市場的90%。
MEMS傳感器在消費電子領域的應用包括運動/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/距離計數等等，這些MEMS技術都在很大程度上提高了用戶體驗。
終端設備內的硬盤驅動器墜落保護 是MEMS運動傳感器在消費電子市場的具有重要歷史意義的代表性應用之一。手提電腦內的三軸加速計可以監測加速度，因為具有特定的功能和數據處理電路，它能夠檢測到硬盤驅動器的意外摔落事故，并及時命令讀寫頭縮回到安全位置，以防電腦最終摔落在地板上時損壞讀寫頭。
手機 是MEMS在消費類產品中最大的應用領域。包含MEMS麥克風、3D加速器、RF被動與主動組件、相機穩定與GPS的陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等，應用最多的傳感器是加速計、陀螺儀與MEMS硅麥克風，其中加速度計是該市場中第一大應用產品。而近期陀螺儀增長迅速，已經成為繼加速度計后的第二大應用產品。
MEMS麥克風銷售額2015年已經突破10億美元，美國IHS全球產業研究報告表示全球MEMS麥克風市場仍將連續5年維持18%的年復合成長率（CAGR）。還有一些MEMS傳感器或剛進入市場的，例如磁力計、指紋傳感器、環境傳感器、MEMS手機攝像頭等。而MEMS傳感器在手機應用的數量規模以及多樣性，也仍不斷在快速成長當中。
蘋果(Apple)公司于2007年首度將微機電系統(MEMS)加速度計應用在iPhone中，開啟手機產業的傳感器革命。iPhone6 Plus就使用了加速度計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、指紋傳感器、接近與環境光傳感器、MEMS麥克風和Image Sensor等MEMS傳感器。截至目前為止，Apple公司已擁有超過三百五十篇以上與傳感器相關的發明專利，而申請內容包括觸控、影像、運動、振動感測、數據運算、掉落感知及亮度感知等等。
游戲機 是運動跟蹤和手勢識別應用的突出代表，以具有革命性的任天堂Wii游戲機為例， 采用了MEMS三軸加速度計，能夠捕捉到玩家任何細微的動作，使玩家陶醉于真實的游戲體驗，通過不同的動作融入到游戲中，例如，模仿一場真實的網球賽、一場引人入勝高爾夫球賽、一場緊張的拳擊賽或輕松的釣魚比賽的動作。
高能效低價微型MEMS傳感器徹底改變了人們與移動終端設備的互動方式。在各類移動終端、游戲機、遙控器等設備上，MEMS傳感器可以實現先進的功能，令人心動的用戶界面，用戶的手勢、碰摸就能夠激活相應的功能。為消費電子產品的“”升級、換代”劃成一個里程碑式的注腳。
智能穿戴裝置 是目前最熱門的新興產品，其所使用的感測組件，無論在尺寸、耗電量、感測靈敏度或是組件可靠度上，通常皆須面對更嚴苛的要求。最成功的組件案例是慣性傳感器與MEMS麥克風，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品內，成為其傳感器標準配備。
智能穿戴裝置兩大功能項目在于量化生活(Quantified Self)及隨身環境安全監測。其所需感測功能大致可包括活動感知、影像感測、環境感測及生理感測四大類別。MEMS組件在穿戴裝置上的應用訴求，是使系統達到微小化、低功耗、高性能及多功能整合等目的。
健身和健康監測就是MEMS傳感器在智能穿戴裝置中的代表性的應用。計步表或計步器是利用三軸MEMS加速度傳感器，在特定的情況下，計步器的傳感器能夠精確地測定在步行和跑步過程中作用在系統上的加速度，通過處理加速度數據，計步器顯示用戶走過的步數和速度，以及在身體運動過程中所消耗掉的熱量。
航空航天設備上MEMS傳感器的應用
MEMS傳感器應用在航空航天領域，要求適應在不同的空間環境，包括:真空、電磁輻射、高能粒子輻射、等離子體、微流星體、行星大氣、磁場和引力場等，以及航天器某些系統工作時或在空間環境作用下產生的誘導環境，例如，軌道控制推力器點火和太陽電池翼伸展引起的振動、沖擊環境；航天器上的磁性材料和電流回路在空間磁場中運動產生的感應磁場；航天器上有機材料逸出物沉積在其他部位造成的分子污染等。
因此，航空航天傳感器主要有狀態傳感器，環境傳感器之分，前者包括各種活動機件的即時位置傳感器，如襟，副翼位置，噴口大小，油門位置，減速板位置，起落架收放位置等，飛機狀態傳感器，如迎角，側滑角傳感器，飛機姿態傳感器等，各種參數如液壓，油壓，發動機振動量，滑油金屬屑，各種消耗品如油料剩余量，消耗速度等，還有結冰傳感器，火警傳感器，極限傳感器，過載傳感器，生命傳感器以及各種多余度系統的自動轉換傳感器。
環境傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、氧氣傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。
MEMS傳感器在航空航天領域中主要有五種用途:
①提供有關航天器的工作信息，起故障診斷的作用;
②判斷各分系統間工作的協調性，驗證設計方案;
③提供全系統自檢所需信息，給指揮員決策提供依據;
④提供各分系統、整機內部檢測參數，驗證設計的正確性。
⑤監測飛行器內外部的環境，為飛行員航天員提供所需的生存條件，保障正常飛行參數。
MEMS傳感器構成的電子設備
MEMS傳感器在飛行器中的電子設備、飛行器設計及微小衛星等技術方面都有重要的應用。機載分布式大氣數據計算機，由全壓一靜壓一攻角為一體的多功能微型大氣數據探頭(或稱組合式空速管)、微型壓力傳感器(靜壓、差壓及動壓)以及信號處理單元直接組成，并封裝在殼體內，形成一個微機電系統。
MEMS慣性導航系統
微型慣性導航系統集微陀螺、微加速度計及其信號處理單元為一體，該系統以硅材料為主，用MEMS加工工藝制造而成，其體積和質量比常規慣性導航系統至少下降2一3個數量級。
采用MEMS技術制造的微型慣性測量單元(MIMU)，沒有轉動的部件，在壽命、可靠性、成本、體積和質量等方面都要大大優于常規的慣性儀表。所生產出來的標準化的、高性能航天器姿態測量儀器性能更好，價格更便宜，而且在航空航天平臺均能使用。采用MIMU器件可使裝置的重量大大減輕。
MEMS加速度傳感器
加速度傳感器在航空航天應用在姿態航向基準系統;捷聯慣性測量單元;飛機導航系統;飛行控制系統;包括顫振測試在內的飛行期間結構測試;健康系統測試;穩定性測試;地面振動測試(風洞試驗);模態測試;發動機控制系統、制導系統等。
MEMS化學傳感器
這種類似于電子鼻的高溫傳感器陣列是用于檢測和控制航空和汽車發動機的排放物質。通過分析電子鼻產生的信號確定排放系統廢氣的成分。
MEMS壓力傳感器
航空航天傳感器在飛行中、飛行試驗、發動機測試驗、結構強度試驗、風洞試驗，以及在設備的制造生產過程中應用十分普遍。壓力測量的特點是;被測壓力種類多、涉及范圍廣，測壓點多，要求測量精度高。
航天航空集當代先進制造技術、信息技術和材料技術于一身，對傳感器的要求越來越高，MEMS傳感器發展方向是多功能化、小型化、智能化、集成化，隨著產品可靠性進一步提高和價格降低，制作技術發展的不斷成熟和完善，MEMS傳感器在航空航天領域的應用將會在更廣泛范圍取代傳統傳感器。
生物醫療行業MEMS傳感器的應用
MEMS傳感器技術的突破也為醫療應用帶來前所未有的便利性和體驗。隨著人口的老齡化，人們的醫療保健問題變的空前重要。人們的醫療保健問題變的空前重要。體外診斷、藥物研究、病患監測、給藥方式以及植入式醫療器械等領域都在不斷發展，系統集成商們需要創新的技術來迅速提高產品性能、降低產品成本、縮小產品尺寸。
生物MEMS技術為所有這些領域帶來改進了傳感和執行功能的微型器件，如加速度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器以及微泵。
測壓傳感器
應用在醫學中被稱為醫用測壓傳感器，它們都必須高度精確并緊湊包裝，以方便攜帶，特別是器械要與病人直接連接時。
現在將小型測壓傳感器應用到容易發生人為錯誤的領域，如：用于給藥的輸液泵。這種傳感器可準確測量輸液袋的重量，當液體重量與預先設定值不同時，傳感器會立即向連接的設備發出警告信息，并及時跟控制器通信。
測壓傳感器的核心部件是箔應變計，采用真空沉積或濺射技術，通過材料的分子鍵合附著在介電層上，這種技術通常稱為薄膜法。理想的應變計應該體積小，成本低，對于負荷方向上的應變極為靈敏，而且不受周圍環境溫度變化的影響。
植入式傳感器
應當體積小，重量輕，并且和身體兼容，同時還要求其功率非常小。更重要的是，它們不能隨著時間的推移而衰變。
由于這類傳感器屬于第Ⅲ類醫療器械，因此需要有食品及藥物管理局（FDA）的批準才能使用。一般來講，這類傳感器價格非常昂貴，而且需要專家做外科手術進行移植。對功率的要求是植入式傳感器正常工作所面臨的主要挑戰之一。不需要功率就能發揮作用的傳感器是最完美的。
壓電聚合傳感器
體積小，可靠性高，不需要外部動力而且能長時間持續工作。這類傳感器可應用于監視病人活動的心臟起搏器，通過植入式傳感器可以實時監測心率變化。舉個例子，由于腹部長了一個大動脈瘤，要求切除一部分脆弱的動脈，用人工合成的管狀器官來替代。這時，可以在手術的過程中植入一個傳感器，用來監視手術部位的壓力泄漏。
心臟起搏器
每當病人運動時，傳感器就會產生一個信號。心臟起搏器接收到這些信號，然后使心臟也相應的博動。如果病人在休息，信號為零，則心臟起搏器會使心臟以正常頻率博動，例如大約70次/分鐘。傳感器能區分出各種活動，例如走路、跑步、或是其他身體活動。傳感器的輸出和運動量成正比。
MEMS加速度傳感器
提出一種無創胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。
通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最后輸出處理結果。
基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動分析結 果，醫生對該結果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，保障胎兒和孕婦的健康。
生物傳感器
對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測，它是由固定化的生物敏感材料做識別元件（包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質）與適當的理化換能器（如氧電極、光敏管、場效應管、壓電晶體等）及信號放大裝置構成的分析工具。
在臨床醫學中，酶電極是最早研制且應用最多的一種傳感器。利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物傳感器。生物傳感器已應用于監測多種細菌、病毒及其毒素。藥物分析用生物傳感器的典型代表產品是 SPR生物傳感器，這是一種表面膜共振分析，是實時測定生物分子結合的技術。
最常見的用于生物傳感：基于抗體-抗原的相互作用，核酸相互作用， 酶的相互作用，細胞相互作用，使用仿生材料的相互作用。
隨著醫療技術的發達，越來越多的醫療保健應用使用MEMS器件，并由此帶來市場強勁增長！
MEMS傳感器助力物聯網構建智能世界的美好生活
萬物相連，智能感應。隨著通訊技術的高速發展，應用MEMS傳感器技術，使所有的智能對象與現實世界進行互動，推動了物聯網的發展。
物聯網（IoT）是把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。簡而言之，物聯網就是“物物相連的互聯網”。
從網絡結構來看，物聯網可分為感知層、網絡層和應用層。感知層位于物聯網三層結構中的最底層，是構成物聯網的核心基礎。傳感器作為物聯網三大層次結構之一的感知層的重要組成部分，將現實世界中的物理量、化學量、生物量等轉化成可供處理的數字信號，是實現物聯網的基礎和前提。
物聯網的大力推進和智能終端的廣泛應用，使傳感器產品需求大幅增加，并且重心逐漸轉向技術含量較高的MEMS傳感器領域。MEMS技術在物聯網領域應用廣泛，覆蓋可穿戴設備、智能家居、醫療、工業4.0、智能汽車、智慧城市等多個細分領域。
人類透過一個由全球數億人所共有共享的巨型智能網絡基礎建設，進行全面性的社群交流與信息分享，并且經由鏈接實體對象及虛擬分析整合，達到無所不在的偵測、識別、控制及服務。
在無限感測、萬物互聯的未來世界中，充滿著各式各樣的智慧技術：無人車輛會自動駕駛、讓行車更安全；智慧家電提供便利舒適的生活管家及保全服務；植物工廠精準掌握作物生產過程、解決氣候劇變導致的糧荒問題；工業4.0實現安全有效率的人機協作、提升產品良率與質量；遠距醫療網絡帶來更優質便利的醫療服務；智慧電網提升城市能源使用效益、帶動經濟成長、并減緩全球溫室效應等。而對于個人而言，行動及穿戴式裝置則將提供無處不在的信息服務及生活照顧。另外，傳統的工業應用，例如醫療、導航、軍事、航空、地震勘探及制程控制等，利用MEMS感測組件技術形成新型態的工業物聯網。
MEMS技術的傳感器，正是以功耗低、精度高、尺寸小的技術特點，來滿足萬物互聯的智能世界，新型MEMS傳感器的開發設計和市場投入，使更具豐富多彩的物聯網應用成為可能，它推動了我們的生活更加絢麗多彩。
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