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导读:本文作者是著名电子媒体EE Times/EDN/Planet Analog高级技术编辑,有40年电子行业经验。这里推荐的是2021年,令他觉得技术、性能非常出色,或者非常具有前瞻性的,令人赞叹的MEMS传感器,这些传感器是地球上各自领域的最高技术代表,涉及声音、气流、超声波、光机械、TCXO等传感器类型,值得其他厂商借鉴、学习,并超越,尤其是广大中国传感器厂商。

MEMS借助先进的IC制造技术将有源和无源元件集成到单个硅基板中,MEMS传感器将我们周围的模拟世界连接到充满处理和计算的数字世界,MEMS传感器就像我们人类的眼睛、耳朵、鼻子、嘴巴和皮肤一样,具有触摸感应功能。

全球MEMS市场正在快速增长,到2024 年,预计将达到 350 亿美元。以下是2021年上半年最优秀的10个MEMS传感器器件,先睹为快!

1、Vesper VM3011 麦克风

Vesper公司推出的VM3011自适应零功率听觉技术ZPL (Adaptive ZeroPower Listening™) 数字压电 MEMS 麦克风,适用于恶劣环境,可根据环境背景噪声的大小自动调整其声学阈值。

该设备具有出色的系统节能效果,可在不影响声学性能的情况下延长电池寿命。

VM3011器件采用3.76 x 2.95 x 1.3 mm的业界标准封装尺寸,通过底部开口的数字 MEMS 麦克风提供高声学性能。

这个麦克风将 ASIC 和压电MEMS传感器集成到封装中。数字脉冲密度调制 (PDM) 接口可用于传输音频数据流,而 I2C (集成电路总线)接口用于自适应ZPL的自动配置功能。

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Vesper是全球领先的压电传感器MEMS麦克风供应商,VM3011的推出进一步扩大了Vesper在低功率始终开启听觉设备市场中的技术领导地位。

2、Flusso FLS110 小型气流传感器

Flusso FLS110是一种模拟流量传感器。该传感器与标准微控制器和固件相结合,可实现数字流量传感解决方案。

该器件采用仅3.5 mm x 3.5 mm的小型封装,具有 0.5 sccm(标准状态下1ml/min流量)到500 slm(标准状态下1L/min流量)或更高的测量范围,+0.5% 的测量精度,并且经过温度补偿以获得可靠的流量信号。

产品评估套件让设计人员能够使用现成的在 Windows 10 下运行的图形界面程序来测试 FLS110。

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Flusso是一家2016年初创于英国剑桥的半导体企业,FLS110号称全球最小尺寸的MEMS流量传感器。

3、TDK Chirp CH-101 超声波传感器

TDK CH-101基于Chirp专利MEMS技术。它是一种系统级封装 (SiP),将压电微机械超声波换能器 (PMUT) 与超低功耗片上系统 (SoC) 集成在小型可回流焊封装中。

SoC 使用Chirp专利的高级超声波 DSP 算法,并包含一个集成微控制器,可通过 I2C进行数字信号传输。该传感器可实现对最远1.2 m距离目标的精确测量。这种飞行时间技术(ToF) 距离传感器还可以即时测量人与人之间的距离。

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TDK是日本著名电子元器件企业,CH-101是一款具有突破性的产品,将压电微机械超声波换能器 (PMUT)、高能效 DSP(数字信号处理器)、低功耗 CMOS ASIC组合在小型封装中,体积为传统传感器千分之一。TDK介绍及CH-101产品参数可从下方小程序查看。

4、USound Conamara UT-P4010 扬声器

Conamara UT-P4010扬声器具备IPX8级防尘防水能力,可在3米深的水中安全浸泡30分钟。

该设备具有稳定的声压级 (SPL) 和低总谐波失真 (THD)。主要为入耳式音频设计,例如有线耳机,或者是真无线立体声 (TWS)耳机——耳塞和电话之间没有任何线材连接。

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USound是MEMS音频领域先锋厂商,它开发出了全世界最小的扬声器,UT-P4010及同系列产品拥有的IPX8防水等级,更领先其他厂商。

5、硅光子学中的Imec光机械超声传感器

Imec在硅光子芯片上开发了一种基于 MEMS 的光机械超声传感器,创新的光机械波导使其具有前所未有的灵敏度。

这个20 µm 传感器的检测限优于相同尺寸的压电元件两个数量级。这种低检出限使超声和光声成像的临床和生物医学创新应用成为可能,如深部组织 X 光检查。

该MEMS传感器还能够研究潜在肿瘤组织的血管形成或神经分布。imec的解决方案基于一种CMOS兼容新工艺制作的高灵敏度分脊光机械波导。

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Imec是全球领先的纳米电子学和数字技术研究与创新中心,该传感器将促进相关医学创新应用落地。

6、博世 BME680 降低病毒感染风险

室内空气质量严重影响我们的健康和幸福,通过我们呼吸的空气将有感染 COVID-19 等病毒的风险。博世BME680传感器已经被开发用于检测人的呼吸情况,输出空气质量指数。

潮湿的空气使病毒容易繁殖,而冷空气让病毒更容易存活,如果有人受到影响,从肺部呼出的大量空气会导致别人感染病毒。

该设备无法检测冠状病毒,但可以测量呼吸过的空气量;通过控制通气可以减少感染。

空气质量“红绿灯”可以指示何时使用 BME680 为房间通风,这将降低病毒感染的风险。

设计人员可以将此解决方案集成到智能 LED 灯中,当空气质量不佳时,它可以改变颜色(绿-黄-红),学校和大学教室将尤其受益于该设备。

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博世想必大家都闻名,BME680是在BME280环境传感器基础上的演进版产品,增加了气体传感功能。已经被许多智能产品应用,譬如小米MIX Alpha 5G手机。博世介绍及BME680产品参数可从下方小程序查看。

7、STMicro意法半导体 LIS2DTW12 三轴MEMS加速度计+数字输出温度传感器

LIS2DTW12的三轴MEMS加速度计具有±2G/±4G/±8G/±16G可选择的加速度计满量程范围,数据输出速率1.6Hz至1600Hz。

其中的温度传感器具有0.8°C的测量准确度,同时精确度也媲美独立的标准温度传感器,输出数据速率 (ODR) 范围为 50 Hz 至 1.6 Hz,分辨率为 8 至 12 bit。

有一个大容量32级FIFO,允许用户存储数据以减少主控制器的干扰。此外,它还集成自检功能,可以检查传感器是否正常工作。封装采用超薄塑料LGA封装,保证器件在 -40°C 至 +85°C 的温度范围内运行。

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意法半导体的LIS2DTW12单片集成三轴MEMS加速度计+温度传感器,开业内先河,可用于空间受限和功耗敏感的探测设备。该传感器相关参数和介绍可看下方小程序。

8、ADI 的低噪音、高频加速度计

ADI亚德诺公司的ADXL1001/ADXL1002 MEMS器件具有在高g值范围宽泛的带宽下提供超低的噪音密度,有利于工业状态监测优化。

ADXL1001 (±100 g) 和 ADXL1002 MEMS传感器的典型噪声密度分别为 30 µg/√Hz 和 25 µg/√Hz。两种MEMS加速度计都具有可靠且稳定的灵敏度,可以承受高达 10,000 g 的外部冲击。

该MEMS传感器具有完整的静电自检测(ST)和超量程指示(OR),可为嵌入式应用提供高级系统功能。

凭借低功耗以及3.3-5.25V的单电源操作,这款MEMS传感器支持无线传感产品的设计应用。它采用 5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP 封装,运行温度范围为 -40°C 至 +125°C。

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高频MEMS加速度计相比传统技术在低噪音性能方面的欠缺,限制了MEMS加速度计的应用,从而无法充分利用MEMS加速度计在可靠性、质量和可重复性方面的优势。亚德诺ADXL1001和ADXL1002具备了与当前PZT技术不相上下的高频低噪音性能,使其成为新一代状态监测产品极具吸引力的不二之选。该传感器相关参数和介绍可看下方小程序。

9、TE Axisense-G 双轴陀螺稳定倾斜传感器

AXISENSE-G型号是一种双轴倾斜传感器,将来自 MEMS 多轴加速度计和多轴陀螺仪的信号组合成精确的俯仰和滚转角信息。

陀螺仪改善了传感器的反应时间并降低了对冲击和振动事件的敏感性。传感器使用重力作为参考,并报告 X 轴和 Y 轴上的任何正向或负向倾斜角。测量的静态精度为 ±0.5°。

该设备封装在坚固的外壳中,不受恶劣环境的影响。它具有户外使用的 IP-67 防尘防水等级。该传感器有一个 400 毫米(15.7 英寸)的集成电缆和一个 4 针密封、键控、闭锁连接器。它具有 8-36 V 直流电源宽电压范围,内置温度传感器和自我诊断功能,可立即通知用户或系统任何故障。

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TE的这款动态倾斜传感器为高空作业平台以及农业、建筑等恶劣环境设计,可以过滤各种噪声,获得精确的输出数值。TE公司相关介绍和产品可看下方小程序。

10、SiTime SiT5157 60-220MHz超级温度补偿MEMS振荡器(TCXO)

SiT5157器件是具有±0.5ppm至±2.5ppm范围的MEMS超级TCXO,具有独特双MEMS温度感测和Turbo Compensation技术。

在气流、温度扰动、振动、冲击和电磁干扰等环境因素的情况下,该 IC 可提供强大的动态性能以确保时序稳定性。

该MEMS器件还集成了多个芯片级稳压器来过滤电源噪声,无需专用的外部 LDO。输出能力为 60–189 MHz 和 208–220 MHz,步长为 1 Hz。

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SiTime是MEMS时钟领域的市场领导者,这款宽范围的TCXO传感器在消费类和物联网有着广阔的应用场景,例如互联网连接的音频/视频和流媒体设备、工业智能电表以及其它使用低功耗无线连接的设备。

结语

在Steve Taranovich的介绍下,我们可以看到让他点赞的2021年全球10大MEMS传感器,无不有着各自的看家本领:Vesper的低功率麦克风独树一帜,Flusso做出世界上最小的MEMS流量传感器,TDK创造性地将PMUT、DSP、CMOS ASIC组合在一起……

虽然这10家传感器厂商的专长各不一样,但他们都有个共同特点——都不是中国厂商。

罗素说这个世界是参差的,在传感器的领域更是如此,随着科学技术对这个世界研究的愈透彻,各种前所未有的传感器就被发明制造出来,因此传感器领域几乎不会有“赢者通吃”的局面。

百花绽放,百家争鸣,给了中国厂商更多弯道超车的机会!未来几年希望也有中国传感器厂商能够凭一技独步天下。

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