mems传感器原理:MEMS传感器

2021/10/29 07:05 · 传感器知识资讯 ·  · mems传感器原理:MEMS传感器已关闭评论
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MEMS传感器
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MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
中文名
MEMS传感器
外文名
MEMS SENSOR
含 义
微机电系统
涉 及
电子、机械、材料、物理学
目录
1
应用
2
研究现状
3
分类
4
总结
MEMS传感器应用
编辑
语音
1.应用于医疗
MEMS传感器应用于无创胎心检测,检测胎儿心率是一项技术性很强的工作,由于胎儿心率很快,在每分钟l20~160次之间,用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪,用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪,价格昂贵,仅为少数大医院使用,在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外,超声振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低,也属于有损探测范畴,不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度传感器,提出一种无创胎心检测方法,研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。
通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号,经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理,用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理,最后输出处理结果。
基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端,做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果,医生对该结果进行诊断,如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况,有利于胎儿和孕妇的健康。
2.应用在汽车电子
MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥
应用在汽车中的MEMS传感器
方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。
3.应用于运动追踪系统
在运动员的日常训练中,MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量,对每一个动作进行记录,教练们对结果分析,反复比较,以便提高运动员的成绩。随着MEMS技术的进一步发展,MEMS传感器的价格也会随着降低,这在大众健身房中也可以广泛应用。
  在滑雪方面,3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力,除了可提供滑雪板的移动数据外,还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此,安装在冲浪板上的3D运动追踪,可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。
4.应用在手机拍照领域
在MEMS Drive出现之前,手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术),受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术:多轴防抖,则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动,但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷,一直无法在手机上应用。
凭着微机电在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达,带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动,依靠精密算法,计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完,你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。
手机拍照带给我们随时随地的便捷,但是面对复杂的环境、多样的拍照场景,人手拍照有无法避免的抖动,像是走着跑着躺着拍照,或者把手伸长、手握自拍杆自拍,无论哪种抖动,凭借MEMS DRIVE马达独有的五轴防抖,和快速、精准控制的技术优势,都能呈现出更清晰更锐丽的图片
[1]

MEMS传感器研究现状
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语音
1、微机械压力传感器
微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品,也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看,微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类,分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看,有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器的精度可达0.05%~0.01%,年稳定性达0.1%/F.S,温度误差为0.0002%,耐压可达几百兆帕,过压保护范围可达传感器量程的20倍以上,并能进行大范围下的全温补偿。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。
(1)将敏感元件与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成,研制智能化的压力传感器。
  (2)进一步提高压力传感器的灵敏度,实现低量程的微压传感器。
  (3)提高工作温度,研制高低温压力传感器。
  (4)开发谐振式压力传感器。
2、微加速度传感器
硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。其中最具有吸引力的是力平衡加速度计,其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道的AGXL50型。
  国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度传感器。后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式,其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式,在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。
3、微机械陀螺
角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高,但它的结构复杂,使用寿命短,成本高,一般仅用于导航方面,而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上,如果不是受成本限制,角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构,悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。但是,实现的微机械陀螺的精度还不到10°/h,离惯性导航系统所需的0.1°/h相差尚远。
4、微流量传感器
  微流量传感器不仅外形尺寸小,能达到很低的测量量级,而且死区容量小,响应时间短,适合于微流体的精密测量和控制。国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力,再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号。该传感器的芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下,线性度优于5%。
5、微气体传感器
根据制作材料的不同,微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底,敏感层为非硅材料,是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关,因而要同时制作加热元件和温度探测元件,以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在一起,保证气体传感器优良性能的发挥。
谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热,且输出信号为频率量,是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子所提出的1种微结构气体传感器,由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。硅梁被置于被测气体中后,表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加,使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明,在0×10~1×10的范围内有较好的线性,浓度检测极限达到1×10,当工作频率是19kHz时,灵敏度是1.3Hz/10。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体,得到-0.099Hz/10的灵敏度。
6、微机械温度传感器
微机械传感器与传统的传感器相比,具有体积小、重量轻的特点,其固有热容量仅为10J/K~10J/K,使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异,不同温度下梁的挠度不同,其形变可通过位于梁根部的压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9%,迟滞误差为0.45%,重复性误差为1.63%,精度为1.9%。
7、其他微机械传感器
利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器,例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器,浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器,中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器等
[2]

MEMS传感器分类
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语音
1、MEMS气体流量传感器:高精度,检测流量范围广,适用于各种需求的流量计测。
2、MEMS压力传感器:性能偏差小的MEMS压力传感器。
3、MEMS非接触温度传感器:对静止人体也能检测,高灵敏度的人体感应传感器。
4、MEMS开关:高频,小型,长寿命的MEMS开关。
MEMS传感器总结
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语音
中国在?MEMS?传感器领域的研究较晚,但已经成为不可或缺的力量,中国的部分专利权的创新主体协同格局前提下,加大政府科技资金投入不但可以消解技术创新发展中的资金阻滞,又有助于引导企业或单位技术创新意识,从而提高我国创新驱动效率,促进经济快速而稳健的发展
[3]


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参考资料
1.

王淑华. MEMS传感器现状及应用[J]. 微纳电子技术, 2011, 48(8):516-522.
2.

刘凯, 陈志东, 邹德福,等. MEMS传感器和智能传感器的发展[J]. 仪表技术与传感器, 2007(9):9-10.
3.

宋海宾, 杨平, 徐立波. MEMS传感器随机误差分析及处理[J]. 传感技术学报, 2013(12):1719-1723.
mems传感器原理:MEMS传感器  第2张

mems传感器原理:MEMS传感器工作原理总结

MEMS:Micro-Electro-Mechanical System,即微机电系统。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

MEMS传感器用于惯性传感方面主要有加速度传感器和陀螺仪传感器,及其相关变形产品,如:碰撞传感器、侧翻传感器。

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一、加速度传感器

1.工作原理:根据牛顿第二定律F=m×a,惯性力等于质量块的质量乘以加速度,可以构建出下图图1结构。该结构已知质量块质量,悬浮弹簧用于测量惯性力,即可得出加速度值。

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? 图1? 图2

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2.加速度传感器可用于测量什么:

首先是加速度,因为加速度是速度的微分,位移的微分再微分,所以能测量某段时间的相对速度和位移。

另外因为加速度传感器的中有质量块,所以一直受重力影响,只要测量轴向不与重力垂直,就可以测量出传感器与重力的倾斜角。

所以如果是单轴只能仅测几种参数,如果是三轴传感器不仅能个获得以上所有信息,还可以通过三轴之间的数据关系进行进一步的算法开发。

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3.输出方式:

输出方式有模拟量和数字量两种,数字量是在模拟量基础上增加AD转换及通讯模块,最后一把通过SPI和I2C通讯协议输出。

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4.应用需考虑的问题:

应用的环境温湿度、是否有外界振动影响、量程及精度的选择、寿命及稳定性的选择

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二、陀螺仪传感器

1.工作原理:

先要了解一下科里奥利力:在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。

根据上述公式,需已知加速度和球(质量块)的速度,即可得出角速度。所以,陀螺仪内部有一个已知速度的质量块,该速度的稳定性将影响到传感器的精度。另外加速度可以通过图1结果获得,这样就可以得到角速度。

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mems传感器原理:主流的MEMS器件原理解析

(1)MEMS压力传感器
MEMS压力传感器,顾名思义是测量压力的。
涉及到压力测量,提到最多的应用场景就是胎压测量,也就是测量轮胎充气程度。
近几年,智能手机中的压力传感器也逐渐成为标配,主要用来测量大气压力。测量大气压的目的,是为了通过不同高度的气压,来计算海拔高度,同GPS定位信号配合,实现更为精确的三维定位,对户外徒步登山爱好者是一个非常友好的用途。
MEMS压力传感器的原理也非常简单,核心结构就是一层薄膜元件,受到压力时变形,形变会导致材料的电性能(电阻、电容)改变。因此可以利用压阻型应变仪来测量这种形变,进而计算受到的压力。
本图例展示的是电容式MEMS压力传感器原理,当受到压力时,上下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化,导致隔板之间的电容变化,据此可以测算出压力大小。
(2)MEMS加速度传感器
MEMS加速度传感器,顾名思义,是一种能够测量加速度的MEMS器件。
加速度传感器最核心的应用,是利用加速度来感测运动和震动,比如消费电子中最广泛的体感检测,广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、姿态识别等等。
MEMS加速度传感器的原理非常易于理解,那就是高中物理最基础的牛顿第二定律。力是产生加速度的原因,加速度的大小与外力成正比,与物体质量成反比:F=ma。
所以MEMS加速度传感器本质上也是一种压力传感器,要计算加速度,本质上也是计算由于状态的改变,产生的惯性力,常见的加速度传感器包括压阻式,电容式,压电式,谐振式等。
以谐振式加速度计为例,原理类似于绷紧的吉他弦,由于绷紧程度不同,弹奏出的声音频率也不同。在谐振式加速度计中,连结“检测质量块”的振梁就充当了吉他弦的角色,当质量块受惯性力产生加速度时,振梁的紧绷程度也会不同,此时对振梁施加一定的震动,并对振梁梳齿进行震动频率检测,进而计算加速度。
(3)MEMS陀螺仪(角速度传感器)
陀螺仪相对来说复杂一点,是一种测量角速度的器件,我们先来介绍一下普通的陀螺仪。
要测量角速度,不是一件容易的事情,必须在运动的物体中,寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。利用的属性就是高速旋转中的陀螺,角动量很大,旋转轴不随外界运动状态改变而改变,会一直稳定指向一个方向。
动物界中稳定性最好的就是鸡了,所以很多人开玩笑说,鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪,不管怎么动它,脑袋就是不动。
至于陀螺仪的结构,核心就是一个呼呼转不停的转子,作为其他运动物体的静止锚定物。
再回到MEMS陀螺仪,与传统的陀螺仪工作原理有差异,因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子,并不是一件容易的事。
MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。这种力超出了笔者的高中物理水平,怎么描述这种科里奥利力呢?可以想象一下游乐场的旋转魔盘,人在旋转轴附近最稳定,但当大圆盘转速增加时,人就会自动滑向盘边缘,仿佛被一个力推着一样向沿着圆盘落后的方向渐渐加速,这个力就是科里奥利力。
就当他是一种特殊的“奥利给”吧。
所以MEMS陀螺仪的结构,就是一个在圆盘上的物体块,被驱动,不停地来回做径向运动或者震荡。由于在旋转状态中做径向运动,因此就会产生科里奥利力。MEMS陀螺仪通常是用两个方向的可移动电容板,通过电容变化来测量科里奥利力。
(4)MEMS惯性组合传感器
惯性组合传感器,不是一个新的器件,而是由加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等组合而成,比如三轴、六轴、九轴等,主要实现全方位、立体运动检测。
惯性传感器的一个被广为熟悉的应用领域就是惯性导航,比如飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用。
(5)MEMS微流控系统
前面讲到的压力传感器、加速度、陀螺仪等,属于传感器的范畴,而微流控系统(microfluidics),则属于执行器。
所谓微流控,是流量控制,是一种精确控制和操控液体流动的装置,使用几十到几百微米尺度的管道,一般针对微量流体,用于生物医药诊断领域的高精度和高敏感度的分离和检测,具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。
MEMS微流控是纯粹的机械结构,制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。
(6)射频MEMS(含FBAR)
射频是一个和大家息息相关的领域,只要涉及到无线通信(2345G、Wi-Fi、蓝牙……),就要利用射频技术。
因为射频中核心部件之一是功率放大PA(硅、砷化镓、氮化镓器件),因此很多人默认为射频器件属于半导体集成电路领域。
但实际上,整个射频前端(RFFE)中,MEMS器件占主要比例,包括射频开关(Switch)、滤波器(SAW、BAW、FBAR等)、振荡器/谐振器(Oscillator/Resonator)等。
射频开关(Switch),并不是一个单纯的开关,而是一个切换器,主要用于在射频设备中对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号进行切换处理的装置,实现通道的复用。
滤波器(SAW、BAW、FBAR等),负责接收通道的射频信号滤波,将接收的多种射频信号中特定频率的信号输出,将其他频率信号滤除。以SAW声表面波为例,通过电磁信号-声波-电磁信号的两次转换,将不受欢迎的频率信号滤除。
振荡器/谐振器(Oscillator/Resonator),振荡器是将直流电能转变成交流电能的过程,用来产生一定频率的交流信号,属于有源器件。谐振器是电路对一定频率的信号进行谐振,主要是用来筛选出某一频率,属于无源器件。
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,基本构成是从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片,在它的两个对应面上涂敷银层作为电极。
(7)MEMS硅麦克风
麦克风大家都知道,快手上的“喊麦”就是指的麦克风,对着麦克风歇斯底里的一种亚文化。
而硅麦克风指的是利用MEMS技术,在硅基上制造的微缩麦克风,迎合目前3C产品小型化和集成化趋势,所以TWS耳机、手机麦克风,才会实现如此集成化效果。
麦克风原理,不管是传统的驻极体麦克风(electretmicrophone),还是目前微型化的硅麦,都是利用的声电转换。
驻极体麦克风的声电转换的关键元件是驻极体振动膜——一片极薄的塑料膜片,经过高压电场驻极后,与金属背电极之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时,引起电容两端的电场发生变化,从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
与传统的驻极体麦克风相比,MEMS麦克风具有体积小、功耗低、可靠性高、抗干扰能力强、产品一致性高等特点,已逐步取代驻极体麦克风成为这些消费电子产品中麦克风的主流器件,实现语音采集、消除环境噪音、提高语音指令的辨析度等多种功能。
(8)MEMS喷墨打印头
MEMS喷墨打印头跟前面提到过的微流控系统有点儿类似,只不过微流控系统主要讲的是微流体的检测和分析,而MEMS喷墨打印头实现的,则是根据控制器指令,向外喷射墨汁。
总得来说,喷墨打印头的作用是挤出墨汁,有的是利用压电薄膜震动来挤压墨水,有的是利用加热气泡变大,将腔体内的墨汁挤出。
(9)DMD(数字微镜器件)
DMD(DigitalMicromirrorDevice,数字微镜器件),主要应用于DLP(DigitalLightProcessing,数字光处理)领域,即影像的投影。
投影,简单理解就是各种投影仪,将数字画面信号,通过一系列的汇聚、反射,投射到外部的过程。
在投影系统中,DMD芯片是其中的核心部件之一。这个方寸之间的小芯片上,密密麻麻地排列着百万数量级的微镜片(精密、微型的反射镜)矩阵,每一面反射镜都可以独立反转运动,正负方向翻转,每秒钟翻转次数高达数万次。
每一个微镜片控制投影画面中的一个像素,借助微镜装置的反转,反射需要的光,同时通过光吸收器吸收不需要的光来实现影像的投影,形成不同亮度、灰度和对比度的图像。
(10)热电堆(Thermopile)
新冠疫情初期,除了口罩之外,另外一类奇货可居的商品,就是热电堆传感器了。价格飙升10倍有余,微信群里一堆倒爷到处询问有没有货源。
热电堆是一种热释红外线传感器,由一系列热电偶串联组成,是一种温度检测器件,主要作用是为了实现无接触式红外测温,比如非接触式的额温枪、耳温枪。
热电堆红外传感器利用塞贝克热电效应(Seebeckeffect),由一系列热电偶串联组成,热电偶两端由两种不同材料组成,当一端接触热端、一端接触冷端时,会在两种不同材料之间会产生一个电势差,电势差的大小代表了两种不同材料之间的温度差。
责任编辑人:CC
mems传感器原理:MEMS传感器  第3张

mems传感器原理:什么是MEMS传感器?MEMS传感器工作原理及应用

MEMS传感器即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems),是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过四十多年的发展,已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术,具有广阔的应用前景。截止到2010年,全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作,已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品,其中MEMS传感器占相当大的比例。MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比,它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时,在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
工作原理
MEMS 的全称是微型电子机械系统,利用传统的半导体工艺和材料,集微传感器、微执行器、微机械机构、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。具有小体积、低成本、集成化等特点。
应用
1、应用于医疗
MEMS传感器应用于无创胎心检测,检测胎儿心率是一项技术性很强的工作,由于胎儿心率很快,在每分钟l20——160次之间,用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪,用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪,价格昂贵,仅为少数大医院使用,在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外,超声振动波作用于胎儿,会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低,也属于有损探测范畴,不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。
2、应用在汽车电子
MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料,以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片,然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻,再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路,来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律,通常由悬挂系统和检测质量组成,通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测,主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等,除了有电容式、压阻式以外,MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中,电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点,是MEMS微加速度计中的主流产品。微陀螺仪是一种角速率传感器,主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统,主要有振动式、转子式等几种。应用最多的属于振动陀螺仪,它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。例如汽车在转弯时,系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位,主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道,通常,它与低加速度计一起构成主动控制系统。
3、应用于运动追踪系统
在运动员的日常训练中,MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量,对每一个动作进行记录,教练们对结果分析,反复比较,以便提高运动员的成绩。随着MEMS技术的进一步发展,MEMS传感器的价格也会随着降低,这在大众健身房中也可以广泛应用。
在滑雪方面,3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力,除了可提供滑雪板的移动数据外,还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此,安装在冲浪板上的3D运动追踪,可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。
4、应用在手机拍照领域
在MEMS Drive出现之前,手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术),受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术:多轴防抖,则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动,但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷,一直无法在手机上应用。
凭着微机电在体积和功耗上的突破,最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达,带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动,依靠精密算法,计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完,你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。
手机拍照带给我们随时随地的便捷,但是面对复杂的环境、多样的拍照场景,人手拍照有无法避免的抖动,像是走着跑着躺着拍照,或者把手伸长、手握自拍杆自拍,无论哪种抖动,凭借MEMS DRIVE马达独有的五轴防抖,和快速、精准控制的技术优势,都能呈现出更清晰更锐丽的图片。
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