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通过MEMS传感器,从微观世界中掌握地球的律动

时间:2019-08-16 10:37来源:互联网 作者:郑州炜盛科技 点击:

从日常生活到产业各界,通过压力、惯性、流量、温度、声音、光线检测到自然界各种各样现象的传感器正被广泛应用。比如使用通过体温检测到人体的红外传感器,就可以只在有人的地方进行照明和提供冷气,从而大大削减用电量的浪费。而地震传感器可以检测出强烈的地震,从而中止装置和设备的使用,避免机器发生故障和引发火灾等次生灾害。

而隐藏在智能手机中的麦克风其实也是传感器的一种,能够检测到从高音到低音广域的音频,通过内置传感器将通话音量和音色进行清晰地传递。

 

MEMS麦克风的结构

这些传感器的特点是非常小。在只有几毫米大小的硬件中,聚集着检测装置、控制器等各种组件,可将检测到的机械数据转换为电气信号进行传输。这些微小的机器,被称作MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)。

MEMS作为新世纪的关键技术正在各类领域得到广泛应用。智能手机、可穿戴设备相关的应用程序变得种类繁多也与MEMS小型化、高精度有着直接的关系。当智能手机处于倾斜的状态时,手机屏幕的方向也会随之变化,而使用的地图app仍会正确地标示出使用者所在的地理位置。而在步行中,无论怎样活动,智能手机也能读取出使用者真正的运动量。这些功能都得益于MEMS。

近些年,MEMS传感器已能够收集到“高度”的信息,这也引起人们的广泛关注。在位置信息上添加高度信息,就可以定位(navigation)人在建筑物的所在高度和具体位置。而即使是上下台阶产生的运动,也会被计入真正的运动量。

那么,如何评估“高度”呢?关键就是掌握气压差。众所周知,气压随高度的上升而下降。据计算,珠穆朗玛峰顶峰的气压只有地面的30%。不止在高处,日常生活中,我们也经常接触到由极小的空气分子质量差引起的气压变化。而能够检测出同真空状态下相比,所产生的细小气压差,就是绝对压力传感器。

 

世界较高等级(*)精度的绝对压力传感器(2016年1月12日 欧姆龙公司调查)

2.0mm×2.5mm×0.85mm,在如同笔尖般大小的包装里,附带着能够检测气压和实现控制效果的IC芯片。它能够检测出相当于高度±5cm的±0.6Pa的气压变化。人们在上下台阶每一步所产生的移动距离,都能够被精准地检测到。

如此精密且小巧的机器尺寸也达到了世界尖端水平。

通过无限组合,集结不同领域的成员

对于开发者来说,在仅有2平方毫米大小的包装里制造能够捕捉到细微气压变化的机器要比想象中还要困难。

在封装内部,装有悬挂在真空环境中的硅薄膜(隔膜),检测外部空气进入隔膜后所产生的气压变化。为了提高传感器的检测精度,硅膜片必须做到尽可能薄,以便在感触细微的气压后可以产生巨大的变形。

另外,在根据薄膜形状变化处理电子信号的回路上,为了提高传输精度,如何降低噪音也成为一大课题。

即使这些问题都能解决,由于传感器精度提高而产生的温度变化所引发的壳体轻微变形的问题依然存在。

绝对压力传感器结构图

如何创造出一个灵敏度高且能防止气压以外压力的传感器?欧姆龙开发团队的成员们从产品材料到构成部件到配置优化进行了彻底的讨论。覆盖IC芯片的盖子、连接传感器和IC芯片的电线、固定零件的粘合材料……开发团队为了寻找用于各个部分的最佳材料进行了无数次的组合测试。

担任开发的井上回忆说:

“我们的目标是不断提高传感器性能,同时实现稳定生产和成本的平衡。我们在产品构造和材料方面与不同专业领域和职能的成员们一起工作,收集意见,不断反复进行原型的设计和评估,以求找到最佳配置。在历尽艰辛达成目标配置时,我们尝试的方案数量令人难以置信,我们甚至质疑迄今为止所学习的常识,并尝试采用被认为是不可能的材料。通过这种方式,我们与树脂材料制造商也一起进步成长。”

但是,制造出样机并不容易。

组装1平方毫米以下的零件,更要在这一位置上以μm为单位进行微调,需要操作者具有极高的安装技术。打破困难的关键,是欧姆龙历经20余年在MEMS领域累积的充足经验。

 

开发者们说道:

“欧姆龙已累计生产超过10亿个智能手机中的麦克风,拥有先进的MEMS制造技术。MEMS器件难以组装,且生产上需要很多调试步骤。但是,通过充分利用欧姆龙积累多年的精细加工、包装技术和质量检验等专有技术,使得绝对压力传感器的发展成为可能。”

今天享有的成就不仅是成功,也有不断的失败。

通过去除其他可能的压力影响,团队最终成功地研发出具有世界顶级水平、能够检测出±0.6Pa的气压变化。

欧姆龙的MEMS是在融合了‘过去技术的传承 ’ 和‘新技术的创新 ’中诞生。能够在项目启动后仅仅一年半的时间里,就完成和发布了世界顶级水平的传感器,得益于欧姆龙企划、开发、技术、品质保证和营业各个部门成员的努力。这不是凭借一人之力,而是大家不断进行挑战的成果。创造出新型传感器,为社会提供能新价值,这是每一个成员所想。

通过制造,使MEMS从期望变为现实

图片来源于网络

 

绝对压力传感器以极小的体型和能够检测±0.6Pa气压变化的高性能,将在未来实现更广泛的应用。对于站立、端坐、睡觉、跌倒以及上下楼梯时人们的动作和位置变化都能够进行检测,包括三维空间精确的高度变化。充分利用绝对压力传感器进行动作和位置判断这些特点,将会开发出越来越多的应用,特别是在智能手机和各种穿戴设备方面。

“比如,不知道在商场走失的孩子在第几层时,或是无法确定灾害发生时等待救援的幸存者在建筑内的具体位置,在这些情况下,MEMS可以在GPS信号无法达到的室内空间中,准确把握相应的位置,为防盗、儿童保护、受灾救助起到安心、安全的功效。”

除此以外,MEMS还可以为健康领域做出贡献。比如可穿戴设备通过高精度测量上下台阶或坡道所产生的距离,进而计算出相关的运动量。

我们可以相信,在2020年召开的东京奥运会上,欧姆龙MEMS绝对压力传感器将被安装在创新的3D导航系统,引导来自世界各地的游客。

项目管理者安达先生说道:

“通过检测自然界的各种现象,如压力,惯性,流量,温度,声音和光线,与欧姆龙的传感技术和数据结合,转换成具有价值的信息,我们可以为人类创造出更加便利且前所未有的产品。我们团队的所有成员将共同努力,将未来从期望转变为现实。”

对于未来,大家所期望的事情有哪些?

所期望的事情成为现实的未来一定会让人非常兴奋,而这些兴奋终究会通过MEMS传感器变为现实。

 

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