行業(yè)未來 | MEMS技術(shù)傳感器技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展是大勢所趨

手機(jī)中有多少個單獨的組件？
陀螺儀和加速度可以檢測手機(jī)的運動；溫度傳感器，光傳感器，濕度傳感器和壓力傳感器可測量手機(jī)的環(huán)境；用于連接的RFID、WiFi和藍(lán)牙的傳感器，還有用于聲音的麥克風(fēng)和揚聲器。
以上主要主件是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。MEMS技術(shù)驅(qū)動傳感器變小，而傳感器越來越小，使物聯(lián)網(wǎng)觸角延伸得越來越廣。

MEMS技術(shù)是什么？

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)使用半導(dǎo)體制造工藝來生產(chǎn)尺寸范圍從小于一微米到幾毫米的小型化機(jī)械和機(jī)電元件。MEMS設(shè)備可以從沒有運動元件的相對簡單的結(jié)構(gòu)到具有多個運動元件的復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)在很多領(lǐng)域：感知傳感器外、通信模塊、執(zhí)行器和數(shù)據(jù)處理設(shè)備等。它們都是微型機(jī)器， 其組件的大小從微米（百萬分之一米）到毫米不等。

MEMS設(shè)備范圍很廣，從沒有任何活動部件的簡單機(jī)器到具有多個活動部件的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有許多不同類型：磁性，電氣，熱，化學(xué)，光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)。

制造MEMS器件需要采用與制造其他半導(dǎo)體電路相同的許多技術(shù)：氧化，擴(kuò)散，離子注入，低壓化學(xué)氣相沉積（ LPCVD），濺射等。另外，MEMS使用諸如微機(jī)械加工的專門工藝。

與早期實現(xiàn)相同功能的方法相比，MEMS設(shè)備更小，成本更低，功耗更低。它們也非常敏感且非常準(zhǔn)確。MEMS器件還具有出色的可重復(fù)性，因此還受益于半導(dǎo)體工藝技術(shù)固有的嚴(yán)格公差。

不利的一面是，盡管零件的生產(chǎn)成本非常低，但與設(shè)計，鑒定和制造MEMS產(chǎn)品相關(guān)的投資卻很大。結(jié)果，制造商不太可能為小批量應(yīng)用開發(fā)零件。

MEMS器件類型和MEMS應(yīng)用

典型的MEMS傳感器采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可響應(yīng)機(jī)械或電氣刺激（壓力，運動，加速度，磁場等）而以受控方式運動。其中典型的技術(shù)是使用移動來改變可變電容的極板之間的距離。
陀螺儀需要多個MEMS結(jié)構(gòu)來測量角運動

輸出可以采用多種形式：模擬電壓；輸出電壓；標(biāo)準(zhǔn)串行總線，例如SPI或I2C；或在汽車安全氣囊應(yīng)用中流行的專用協(xié)議（例如DSI或PSI5）；無線連接選項包括低功耗藍(lán)牙（BLE）。

MEMS器件可用作單功能傳感器

MEMS陀螺儀通過利用科里奧利加速度來測量角旋轉(zhuǎn)，該加速度在質(zhì)量朝向和遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心移動時在MEMS框架上產(chǎn)生力。陀螺儀有單軸，雙軸和三軸版本，適用于不同的應(yīng)用：例如，雙軸陀螺儀用于游戲和光學(xué)圖像穩(wěn)定，而三軸陀螺儀可滿足汽車遠(yuǎn)程信息處理和導(dǎo)航的需求。

加速度計還使用框架中的質(zhì)量來測量靜態(tài)加速度（即重力）和動態(tài)加速度（例如振動，運動，傾斜，沖擊等）。歸入加速度計的設(shè)備包括傾角儀，震動傳感器，腦震蕩傳感器，傾斜傳感器和運動傳感器。加速度計還具有不同的軸組合：在汽車碰撞傳感器中發(fā)現(xiàn)單軸設(shè)備，在機(jī)器人技術(shù)，振動監(jiān)控和防篡改應(yīng)用中出現(xiàn)三維單元。

壓力傳感器通過其在MEMS結(jié)構(gòu)中引起的偏轉(zhuǎn)來測量壓力。有一些版本可以測量相對于大氣壓的壓力，也可以測量相對于真空密封室的絕對壓力。MEMS壓力傳感器還可以間接測量其他量，例如流體流量，高度和水位。

磁力計使用各種物理現(xiàn)象，例如霍爾效應(yīng)，測量磁場引起的機(jī)械效應(yīng)。

慣性測量單元（IMU）測量線性和通過組合三軸加速度計和陀螺儀成單個單元角加速度; IMU還可以包括磁力計和壓力傳感器，以提供有關(guān)設(shè)備三維方向和運動的信息：x,y和z軸上的加速度；俯仰，滾動，偏航，高度等。應(yīng)用包括無人駕駛自動駕駛汽車（UAV），機(jī)器人技術(shù)和工廠自動化，航空電子設(shè)備，智能手機(jī)和平板電腦，虛擬現(xiàn)實和游戲。

MEMS麥克風(fēng)通過測量聲波撞擊由可移動膜片和固定背板組成的可變電容元件時的電容變化來工作。它們被廣泛用于空間受限的消費類應(yīng)用，例如智能手機(jī)和平板電腦。

MEMS生物傳感器中，生物分子相互作用導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)中可測量的運動。例如，在結(jié)核?。═B）檢測中，涂有TB抗體的MEMS懸臂在將受感染的血液樣本置于其上時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

MEMS氣體傳感器通過測量在涂覆的傳感器的表面誘導(dǎo)的電阻變化來檢測氣體的存在。該傳感器可以檢測到低濃度的目標(biāo)氣體，典型響應(yīng)時間少于一秒。濕度傳感器被優(yōu)化以檢測水蒸汽。

RF MEMS開關(guān)將靜電驅(qū)動的懸臂梁與單獨的驅(qū)動器IC結(jié)合使用，以代替RF開關(guān)應(yīng)用中不可靠的笨重機(jī)電繼電器?？梢允褂枚喾N開關(guān)配置：例如，ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置，可以處理從DC到14GHz的信號。

MEMS光致動器，例如德州儀器（TI）的數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD），使用MEMS技術(shù)形成了大量獨立控制的鏡面。每個反光鏡均可在電子控制下傾斜，以在“開啟”和“關(guān)閉”狀態(tài)之間切換。啟用時，像素將來自投影儀燈泡的光反射到透鏡中，使其顯得明亮。在關(guān)閉狀態(tài)下，光線會指向其他地方，從而使像素看起來很暗。

MEMS振蕩器包含一個諧振器，該諧振器在來自模擬驅(qū)動器芯片的靜電激勵下振動。MEMS振蕩器可以產(chǎn)生1Hz至數(shù)百MHz的頻率，具有出色的穩(wěn)定性，低功耗和高抗電磁干擾（EMI）能力。

物聯(lián)網(wǎng)中的MEMS

物聯(lián)網(wǎng)對微型，低成本傳感器進(jìn)行監(jiān)控生產(chǎn)的各個方面都有巨大的需求。這些傳感器必須將信息傳達(dá)到工廠網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點，并且必須在工廠惡劣的電氣和機(jī)械環(huán)境中可靠地運行。MEMS設(shè)備是為此目的而量身定制的：它們體積小，堅固耐用，可在同一封裝中包含額外的電路塊以實現(xiàn)有線或無線連接。
MEMS設(shè)備可以有效滿足許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求：

1：低功耗

物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)關(guān)通常需要無線和電池供電。由于單位成本較低，因此更換整個單位通常比重新安裝新電池便宜。因此，功耗的任何減少都會延長設(shè)備的使用壽命。某些MEMS與較大的MEMS面臨相同的功率要求。其他人則利用電磁力或流體動力學(xué)中的不同力來降低功率消耗而又不犧牲功能性（例如，考慮通過小管道輸送水的表面張力情況）。

2：小型

用戶通常希望IoT設(shè)備在辦公室和家庭環(huán)境中體積小且不引人注目。根據(jù)定義，MEMS是不引人注目的。但是，除了用戶需求以外，在某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可能需要將該設(shè)備添加到現(xiàn)有機(jī)器（例如汽車）中，該機(jī)器的硬件空間有限。在可穿戴設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等其他情況下，小尺寸是必須滿足的關(guān)鍵要求。由于其較小的性質(zhì)，MEMS滿足并超過了這些要求。

3：成本效益

在部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案時，規(guī)模通常是一個主要問題。例如，當(dāng)在農(nóng)田上放置傳感器以監(jiān)測天氣和濕度時，每英畝將需要播種許多設(shè)備?；蚩紤]一種資產(chǎn)跟蹤解決方案，其中可能需要跟蹤非常大量（且可變）的資產(chǎn)。在諸如運輸?shù)钠渌麘?yīng)用中，設(shè)備可能只是一次性使用。MEMS是通過稱為光刻的工藝制成的，這使得批量生產(chǎn)變得容易且具有成本效益。
隨著將更多設(shè)備和應(yīng)用程序添加到物聯(lián)網(wǎng)中，MEMS將成為更可行的解決方案。

例如MEMS傳感器在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的諸多應(yīng)用：

工業(yè)機(jī)器人使用基于MEMS的3-D陀螺儀和加速度計來連續(xù)測量角速度和方向的變化，從而取代了昂貴的旋轉(zhuǎn)傳感器和編碼器。它們還可以檢測關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中的過度振動，這可能是過早失效的預(yù)兆。

MEMS加速度計可以檢測其他工業(yè)機(jī)器中的有害振動或感應(yīng)有害的沖擊；MEMS壓力傳感器測量水流量和氣壓；MEMS氣體傳感器檢查有毒氣體排放；MEMS溫度傳感器是許多工業(yè)過程的關(guān)鍵部分。

在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，MEMS振蕩器在監(jiān)督機(jī)器人和其他單元運行的可編程邏輯控制器（PLC）中受到歡迎。光學(xué)設(shè)備適用于人機(jī)界面（HMI）顯示屏。

工廠自身以多種方式使用MEMS.壓力，溫度和濕度傳感器 有助于控制HVAC系統(tǒng)。防篡改傳感器安裝在智能電表中；如果發(fā)生地震，MEMS震動傳感器可以幫助切斷供氣。

經(jīng)過校準(zhǔn)，經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)腗EMS傳感器可測量LPG和CNC驅(qū)動的車輛中的氣體壓力，這些車輛將產(chǎn)品運輸?shù)窖b卸平臺。產(chǎn)品出廠后，資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)便使用MEMS監(jiān)控貨物的撞擊和振動。

未來值得關(guān)注的MEMS傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

自動駕駛汽車需要數(shù)十個傳感器與周圍環(huán)境互動。這些傳感器還必須盡可能小，以免占用其他設(shè)備（載人和電池）所需的空間。因此，汽車行業(yè)是MEMS傳感器生產(chǎn)和使用有望增長最多的領(lǐng)域之一。

基于MEMS技術(shù)的加速度計具有很高的靈敏度，并且在極端關(guān)鍵的應(yīng)用中具有故障安全性能，例如在汽車最終用戶內(nèi)部的氣囊激活和車輛穩(wěn)定性方面。

正在探索使用MEMS技術(shù)的另一個領(lǐng)域是麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)可以例如減少用于手機(jī)的免提設(shè)備的尺寸，并專門為聽覺有障礙的人們制造更小巧，更謹(jǐn)慎的輔助設(shè)備。

最壯觀而有趣的使用場景也許是生物技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)。諸如胃腸道檢查可以通過照相機(jī)和試管來完成，并使用小型的引導(dǎo)機(jī)器人來執(zhí)行。