原创 《一砂一世界》书评 消费市场的MEMS应用

2019-11-30 16:41 427 4 5 分类: 消费电子

本书从MEMS结构原理介绍讲起,分别介绍了MEMS的设计/制造/封装和测试流程。

然后介绍了一些对于工程师进行产品或方案研发可能用到的MEMS传感器,详细介绍了各类MEMS传感器的多种实现原理和主流应用方案。

第三章介绍了生活中MEMS的广阔应用,从消费类产品到汽车到军工行业。学习MEMS技术有广阔的应用前景。

后两张介绍了全球MEMS上游研发企业的布局和发展,分析MEMS产业发展和投资的主流方向。

 


结构原理

简单来说,MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术

微电子技术自不必说,研究的是在固体(主要是半导体)材料上构成的微小化电路,即集成电路技术。

那么什么是机械系统呢?

根据标准动力学方程可知,拥有质量/阻尼和刚度三个基本元素的系统我们就可以称之为机械系统。

当我们把这些机械装置或者系统尽可能的微型化,那么借助于这种微小的机械系统,一些来自环境中的信号可以被转换为机械系统中的一种运动状态。比如说常用的加速度传感器,就是将设备所具有的加速度状态转化为一种机械位移,产生的机械位移改变电容板间距,最终就可以通过测量电容板间的电容变化来计算出加速度。

加速度传感器只是成千上万种MEMS设备中的一种,但设计的本质思路是一致的,即运用当下最先进的半导体设计制造工艺,前沿的新材料技术研究以及很多最新的基础理论研究成果,实现物理信号采集处理并转化成电信号的微型化器件。


MEMS应用

生活中有哪些MEMS的产品呢?

消费类产品

1. 以手机为例,手机作为当今最为普及的电子设备,包含了大量的MEMS器件


a.触摸屏作为人机交互最常用的接口,将用户的触摸动作转化成电信号传递给手机处理器,处理器根据用户的行为提供相应的反馈,手机触摸屏大都已经从原先的电阻屏升级到电容屏。电容屏能够实现像素级精度(手写绘画操作),多点触摸,外层使用玻璃,不容易刮花等优势,部分手机还提供3D touch功能实现按压强度的交互。


b.指纹传感器最近几年也得到了极大普及,小米等厂商千元机也标配。指纹传感器有多种实现方案,光学/电容/热敏/压感/超声波/RF。目前最为普及的是光学指纹方案,主要利用光的折射和反射原理。这个领域诞生了国内第一家市值破千亿的上市公司--汇顶科技,汇顶指纹模组支持屏下指纹识别年出货上亿,基本覆盖所有Android中高端机型,Iphone在新机型抛弃指纹识别转而应用faceID面部识别,这也造成了目前Android和Iphone阵营微小的硬件差别。


c.麦克风将声音转换为电信号,设计要考虑体积/降噪,目前手机采用驻极体电容式麦克风,高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q),由于没有放电回路,这个电荷量是不变的,在声波的作用下,极化膜随着声音震动,因此和背极的距离也跟着变化,也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化声波引起驻极体薄膜振动而产生位移,是不是和加速度传感器的原理有点像,都是转换成电容板位移,测量电容。


d.重力传感器应用在手机自动横屏,游戏控制,实现原理可以依据压电效应/电容效应/热汽泡效应/光效应等不同方案实现,但最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生形变,通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。


e.其他的手机传感器还包括光纤传感器/距离传感器/GPS/陀螺仪/霍尔传感器等,可以参考书中P98


2. 穿戴设备,现在出货量比较大的有小米手环和Apple watch, 设备多包含心率传感器和血氧传感器等测量健康数据,9轴传感器测量运动数据


3. 车载电子是一个更大市场,也包含更多MEMS传感装置,据统计目前一辆整车包含100多颗MCU,每颗MCU都外挂多颗传感器。书中有具体描述参考P108


4. 军工产业,导弹制导 


电子产品开发

电子工程师可以体验一下ST的MPU6050,在自己的项目中实现方向和角度的控制,简单的产品方案可以参考基于6轴传感器融合PID算法的二轮平衡车实现。

需要应用更多传感装置可以参考书中第二章内容,详细介绍了传感MEMS技术/生物MEMS技术/光学MEMS技术和射频MEMS 技术

 

行业和资本

智能音箱和TWS蓝牙耳机近两年爆发式增长,相关的产业链也相应收益,增长强劲。

其中智能音响的主要应用场景为家庭室内,主要技术难点包括多阵列麦克风/远场试音/音源定位/语音识别等。目前国内厂商包括天猫精灵和小度在家,国外有amazon echo/Google home/apple homepod等。

TWS耳机则是另一个消费电子高增长领域,TWS是英文True Wireless Stereo的缩写,即真正无线立体声的意思,TWS技术同样也是基于蓝牙芯片技术的发展。按其工作原理来说是指手机通过连接主耳机,再由主耳机通过无线方式快速连接副耳机,实现真正的蓝牙左右声道无线分离使用。不连接从音箱时,主音箱回到单声道音质。苹果的Airpods是目前最优秀的TWS产品。

对于这些产品的供应链上游,MEMS麦克风是必须采购的产品,国内歌尔声学/瑞声科技正在逐步抢占MEMS麦克风器件市场。

 

不同于半导体产业,MEMS的研发需要更加综合的技术背景,如光学研究/新材料研发。各个巨头也都占据着不同的行业MEMES市场份额,比如国内的汇顶就基本垄断指纹识别市场,ST占据全球60%的陀螺仪市场,

作者: 凭栏映影, 来源:面包板社区

链接: https://www.mianbaoban.cn/blog/uid-me-3895810.html

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curton 2019-12-4 21:32

学习了
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