一文匯總MEMS的發(fā)展與應(yīng)用

卡西歐早年就以電機(jī)馬達(dá)、繼電器等機(jī)電產(chǎn)品聞名。如今的卡西歐本身就是MEMS的制造商之一，用MEMS的思路解決傳統(tǒng)機(jī)械手表遇到的問(wèn)題是卡西歐的拿手好戲。所以，PRO TREK嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一塊真正電子表，它的三重感應(yīng)器的功能也是以電路的形態(tài)集成到SoC芯片里面的。

PRO TREK內(nèi)部的傳感器元件

根據(jù)卡西歐官方提供的資料，第三代“三重感應(yīng)器”的壓力、溫度、地磁傳感器均使用了MEMS技術(shù)，其中最重要的地磁傳感器集成到了一顆芯片里面（SoC），傳感器的本體結(jié)構(gòu)和微執(zhí)行器、信號(hào)處理器、控制電路、通訊接口和電源等部件通過(guò)電路緊密的聯(lián)系在一起，一次性就能完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，并將準(zhǔn)確的結(jié)果通過(guò)表盤上的各種指示反饋給用戶，大幅度提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化水平。

MEMS應(yīng)用范圍很廣，封裝應(yīng)根據(jù)實(shí)際終端應(yīng)用要求（如保護(hù)性、氣密性、散熱性等）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

*消費(fèi)電子/移動(dòng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)MEMS市場(chǎng)快速成長(zhǎng)，復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)13%。

* 未來(lái)5年通信和醫(yī)療應(yīng)用增長(zhǎng)最快，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)20%。

* 工業(yè)MEMS應(yīng)用也不錯(cuò)，復(fù)合年增長(zhǎng)率為13%。

智能手機(jī)中的MEMS和傳感器

* 智能手機(jī)中使用到很多MEMS器件，如加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤、壓力傳感器、硅麥克風(fēng)、圖像傳感器、MEMS微鏡、BAW濾波器和雙工器、射頻開關(guān)、TCXO振蕩器/諧振器等。

* 隨著智能手機(jī)出貨量的迅速增長(zhǎng)，移動(dòng)產(chǎn)業(yè)正逐步轉(zhuǎn)向一個(gè)復(fù)雜的遙感平臺(tái)，而MEMS和傳感器是該系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，每個(gè)MEMS器件的增長(zhǎng)都是令人印象深刻的。

對(duì)MEMS封裝、組裝和測(cè)試的影響

* MEMS的封裝、組裝、測(cè)試和校準(zhǔn)（包括基底成本）占整個(gè)MEMS模塊成本的35%-60%。

* MEMS封裝類型比標(biāo)準(zhǔn)IC封裝更為復(fù)雜，因?yàn)镸EMS封裝需要“System-in-Package”。此外，大多數(shù)MEMS封裝需要符合最終應(yīng)用環(huán)境。

* MEMS封裝從定制化小批量發(fā)展到量產(chǎn)必須標(biāo)準(zhǔn)化，這樣才能保證降低MEMS傳感器成本、實(shí)現(xiàn)大批量出貨。

MEMS加速度計(jì)成本分析

消費(fèi)類加速度計(jì)成本分析

汽車類加速度計(jì)成本分析

慣性MEMS封裝的技術(shù)演進(jìn)

MEMS定律正在改變

MEMS麥克風(fēng)封裝的關(guān)鍵要素

MEMS模塊封裝：關(guān)鍵制造步驟

MEMS封裝趨勢(shì)

組合傳感器封裝發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)SOC/SiP組合所有運(yùn)動(dòng)傳感功能：

MEMS測(cè)試介紹

MEMS產(chǎn)業(yè)的特異性：電學(xué)測(cè)試+機(jī)械測(cè)試

MEMS慣性傳感器最后階段的測(cè)試和校準(zhǔn)

根據(jù)IHS Markit（消費(fèi)者和移動(dòng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)傳感器——2017年）的數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)和玩具直升機(jī)中MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器（即加速度計(jì)、陀螺儀、IMU和壓力傳感器）的市場(chǎng)至2021年預(yù)計(jì)將達(dá)到約7000萬(wàn)臺(tái)，而其2018至2021復(fù)合年增長(zhǎng)率可達(dá)到17％。

MEMS傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)飛行性能的影響

得益于采用慣性MEMS傳感器，無(wú)人機(jī)可確保其方向穩(wěn)定，并可由用戶精確控制，甚至可自主飛行。然而，一些挑戰(zhàn)使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜，例如電機(jī)未完美校準(zhǔn)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)可能根據(jù)有效載荷而變化，操作條件可能出現(xiàn)突變，或傳感器存在誤差。這些挑戰(zhàn)會(huì)造成定位處理偏差，并最終導(dǎo)致導(dǎo)航期間的位置偏差，甚至造成無(wú)人機(jī)失效。

要使無(wú)人機(jī)超越玩具的范疇，高品質(zhì)MEMS傳感器和先進(jìn)軟件至關(guān)重要。無(wú)人機(jī)的慣性測(cè)量單元（IMU）、氣壓傳感器、地磁傳感器、應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）和傳感器數(shù)據(jù)融合的精度對(duì)其飛行性能有著直接和實(shí)質(zhì)的影響。

尺寸限制以及苛刻的環(huán)境和操作條件（如溫度變化和振動(dòng)）將對(duì)傳感器的要求提升到新的水平。MEMS傳感器必須盡可能避免這些影響，并提供精確、可靠的測(cè)量。

有多種方法可以實(shí)現(xiàn)出色的飛行性能：軟件算法，如傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)融合；機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如減少振動(dòng)，以及根據(jù)無(wú)人機(jī)制造商自己的要求和需求選擇MEMS傳感器。下面就讓我們仔細(xì)研究一下MEMS傳感器并參考部分示例。

無(wú)人機(jī)的核心在于其姿態(tài)航向參照系統(tǒng)（AHRS），其中包括慣性傳感器、磁力計(jì)和處理單元。AHRS估算設(shè)備定位，例如滾動(dòng)、俯仰和偏航角。傳感器誤差（如偏移、靈敏度誤差或熱漂移）會(huì)導(dǎo)致定位錯(cuò)誤。圖1顯示了加速度計(jì)偏移函數(shù)形式的定位誤差（滾動(dòng)、俯仰角），這通常是造成傳感器連續(xù)誤差的核心根源。例如，僅20 mg的加速度計(jì)偏移便會(huì)導(dǎo)致設(shè)備方向出現(xiàn)1度誤差。

加速度計(jì)偏移引起的傾斜誤差

慣性測(cè)量單元（IMU）

IMU包括加速度傳感器和陀螺儀，以及相應(yīng)的嵌入式處理程序。這使其能夠在線性移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)方面識(shí)別運(yùn)動(dòng)。

Bosch Sensortec的BMI088是一款六軸IMU，具有低噪聲16位加速度計(jì)和低漂移16位陀螺儀。這種高精度設(shè)備的技術(shù)源自高端汽車傳感器，因此可在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供出色的偏置和溫度穩(wěn)定性，并具有高振動(dòng)穩(wěn)定性，使其成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的理想選擇。

圖顯示了BMI088在不同溫度下的典型偏移漂移。

BMI088在不同溫度下的典型零重力和零速率偏移漂移

所示的加速度計(jì)偏移漂移范圍僅為10 mg，而陀螺儀傳感器的偏移漂移則小于0.5 dps。此外，BMI088隨溫度變化呈現(xiàn)線性趨勢(shì)，且滯后非常小。這使得BMI088十分適用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用。

氣壓傳感器

無(wú)人機(jī)內(nèi)置的高性能氣壓傳感器可精確測(cè)量高度，并與IMU的高度控制讀數(shù)結(jié)合使用。氣壓傳感器必須盡可能避免外部影響和不準(zhǔn)確性。

如今，結(jié)合諸如GPS和光流等附加傳感器，距離傳感器可用于提高系統(tǒng)的可靠性并減少位置誤差。

Bosch Sensortec的新型BMP388氣壓傳感器提供高度信息，以改善飛行穩(wěn)定性、高度控制、起飛和著陸性能。這使得無(wú)人機(jī)控制輕而易舉，由此吸引更廣泛的用戶。

對(duì)無(wú)人機(jī)中壓力傳感器的要求通常非?？量?。由于受到不理想天氣和溫度條件的影響，高度精度必須保持在嚴(yán)格的公差范圍內(nèi)，而且傳感器必須具有低延遲性，以及在長(zhǎng)時(shí)間下的極低漂移。BMP388滿足這些苛刻要求，相對(duì)精度達(dá)+/-0.08 hPa（+/- 0.66m），絕對(duì)精度為300至1100 hPa +/- 0.5 hPa，低TCO通常低于0.75 Pa/K。它具有極具吸引力的性價(jià)比、低功耗和僅為2.0 x 2.0 x 0.75mm3的極小封裝尺寸。

除了TCO改進(jìn)之外，還有多種因素有助于提高整體精度：相對(duì)準(zhǔn)確度、噪聲、穩(wěn)定性和絕對(duì)精度。從笨拙的玩具到高精度飛機(jī)；只要工程師想得到，目前創(chuàng)新工業(yè)和商業(yè)無(wú)人機(jī)的應(yīng)用潛力可以說(shuō)無(wú)邊無(wú)際。

磁力計(jì)

磁力計(jì)如同一部指南針，可以根據(jù)地球的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的航向。Bosch Sensortec的BMM150就是一個(gè)例子，這是一部三軸數(shù)字地磁傳感器。

BMM150與BMI088型IMU結(jié)合使用，可提供九自由度（DoF）解決方案，用于航向估算和導(dǎo)航。在寬泛溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性能、16位分辨率和抗強(qiáng)磁場(chǎng)的能力（無(wú)磁性可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的傳感器偏移）使BMM150非常適合無(wú)人機(jī)應(yīng)用，并最大限度地減少了傳感器偏移校準(zhǔn)所需的工作量。

應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)

應(yīng)用特定型傳感器節(jié)點(diǎn)（ASSN）提供高度集成的智能傳感器集線器，將多個(gè)傳感器組合在一個(gè)封裝中，并配有可編程微控制器。它為運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用提供靈活的低功耗解決方案。

例如，Bosch Sensortec的BMF055是一款帶有集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)和32位Cortex M0 +微控制器的ASSN，用于包括傳感器輸出在內(nèi)的軟件管理。BMF055與定位處理軟件相結(jié)合可用作AHRS。該設(shè)備采用5.2 x 3.8 x 1.1 mm3小型封裝，節(jié)省了寶貴的空間和重量。該傳感器為無(wú)人機(jī)應(yīng)用提供了一體化封裝。圖3展示了BMF055在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中作為具有集成傳感器融合算法的定位處理單元的使用。

BMF055（ASSN）在無(wú)人機(jī)應(yīng)用中用作AHRS。