传感器(Sensor)是一种子系统,它的用途是探测周边环境事件或者物理量变化,并将变化信息采集、变换后传送给其他电子接收设备。按照被测量物理量的不同,传感器分为压力、位移、速度、温度、流量、气体等类别;按照工作原理的不同,传感器分为电阻式、电容式、电感式、压阻式、光电式等类型。传感器发展历史悠久,德国物理学家汤姆斯• 賽贝克(Thomas J. Seebeck)于1821年发明的热电偶(Thermocouple)传感器是最早的传感器。近些年来工业界为了提高生产效率,连续监测生产过程中的温度、压力、物位和流量等参数,并通过中央控制室来控制生产环节,这一应用极大促进了传感器的发展。此外,半导体技术和产业的发展也带动了传感器技术的不断更新, 例如pn结温度传感器、集成温度传感器和半导体热电偶传感器等。通过研究物质与波的相互作用,红外、微波和声学、温度等传感器也相继出现。各类传感器已被广泛应用于工业生产、环境保护、海洋探测、生物工程、医学诊断等领域。
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS) 是指一种微型器件或系统,它一般集微传感器、微执行器、微机械结构等于一体。20 世纪60年代,贝尔实验室(Bell Labs)和霍尼韦尔(Honeywell) 研究中心研发出了第一个硅隔膜压力传感器和应变计。安格尔(Angell)和罗伊兰斯 ( Roylance)于1979 年研发了压阻式微加速度计。亚德诺 (Analog Devices)公司于 1993 年推出了首个采用表面微机械加工技术的全集成硅微加速度计。MEMS 集合了电学系统的采集、处理优势和机械系统的执行、控制优势,通过微型化,开发出各种具有特殊功能的各类新型组件或系统,它涉及多门学科,涵盖多方面的技术,其中包括微电子学、材料学、力学、化学、机械学等学科领域。按照应用领域,微机电技术分为传感 MEMS 技术、生物 MEMS 技术、光学 MEMS 技术及射频MEMS 技术等。微机电系统生产工艺也非常多元化,其制造工艺除传统的光刻、腐蚀、薄膜沉积等工艺外,还融合了硅微加工、非硅微加工以及精密机械加工等技术。
相比传统器件,微机电系统及器件具有微型化、高集成度和易于大批量生产等特点。常见的 MEMS 器件包括硅麦克风、加速度计、陀螺仪、磁传感器、体声波 (Bulk Acoustic Wave, BAW 滤波器)、压力传感器、指纹传感器、距离传感器,环境光传感器等。每个 MEMS 器件都是一个独立的小系统。MEMS 传感器主要应用范围如图2-110所示。MEMS 执行器的主要应用范围如图 2-111 所示。
目前 MEMS 传感器在汽车行业,尤其是在 ADAS 智能驾驶辅助系统中应用十分广泛。ADAS 基于不同传感技术,集合了摄像头、雷达、激光和超声波等各式传感器用以探测光、热、压力等,以便通过各种传感器收集到的信息实现智能驾驶辅助的功能。