‧ 解析 MEMS 感測器應用的領域探討

來源：戴粉網

　　

隨著可穿戴智慧設備的發展，特別是醫療可穿戴智慧設備，主要依靠MEMS感測器，從而檢測到穿戴者的身體各項資訊。那麼什麼是MEMS感測器呢？

　　

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MEMS即微機電系統（Microelectro Mechanical Systems），是MEMS感測器在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過四十多年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一。它 涉及電子、機械、材料、物理學、化學、生物學、醫學等多種學科與技術，具有廣闊的應用前景。

　　

截止到2010年，全世界有大約600餘家單位從事MEMS的研製和生產工作，已研製出包括微型壓力感測器、加速度感測器、微噴墨打印頭、數位微鏡顯示器在內的幾百種產品，其中MEMS感測器占相當大的比例。

　　

MEMS感測器是採用微電子和微機械加工技術製造出來的新型感測器。與傳統的感測器相比，它具有體積小 、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適於批量化生產、易於集成和實現智慧化的特點。同時，在微米量級的特徵尺寸使得它可以完成某些傳統機械感測器所不能實現的功能。

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他的主要應用有以下三個方面：

1.應用於醫療

MEMS感測器應用於無創胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由於胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地 區無法普及。

此外，超聲振動波作用於胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用儘管檢測劑量很低，也屬於有損探測範疇，不適於經常性、重複性的檢查及家庭使用。

　　

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基於VTI公司的MEMS加速度感測器，提出一種無創胎心檢測方法，研製出一種簡單易學、直觀準確的介於胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。

　　

通過加速度感測器將胎兒心率轉換成類比電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然後進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將類比電壓信號轉換成數位信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最後輸出處理結果。

基於MEMS加速度感測器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進後能夠以此為終端，做一個遠端胎心監護系統。醫院端的中央信號採集分析監護主機給出自動分析結 果，醫生對該結果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利於孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利於胎兒和孕婦的健康。
　　
2.應用在汽車電子
MEMS壓力感測器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種感測器用單晶矽作材料，以採用MEMS技術在材料中間製作成力敏膜片，然後在膜片上擴散雜質形成四隻應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。

車用MEMS壓力感測器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。而MEMS加速度計的 原理是基於牛頓的經典力學定律，通常由懸掛系統和檢測品質組成，通過微矽品質塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用於汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航 系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏 度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產品。

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微陀螺儀是一種角速率感測器，主要用於汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統，主 要有振動式、轉子式等幾種。應用最多的屬於振動陀螺儀，它利用單晶矽或多晶矽的振動品質塊在被基座帶動旋轉時，產生的哥氏效應來感測角速度。

例如汽車在轉彎時，系統通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉動是否到位，主動在內側或者外側車輪上，加上適當的制動以防止汽車脫離車道，通常，它與低加速度計一起構成主 動控制系統。
　　
3.應用於運動追蹤系統
在運動員的日常訓練中，MEMS感測器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結果分析，反復比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發展，MEMS感測器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。

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在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力感測器、加速度感測器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動資料外，還可以記錄 使用者的位置和距離。在衝浪方面也是如此，安裝在衝浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、衝浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等資訊。