微型传感器新设计,或能革新电子器件的未来
2019-08-24 13:21:48   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,美国宾厄姆顿大学(Binghamton University)和纽约州立大学(State University of New York)的研究人员找到了一种提升微型传感器性能的方法,这种方法可能会对我们每天使用的电子设备产生深远的影响。

该项研究可能将带来性能更好、价格更低的MEMS麦克风、陀螺仪和压力传感器。

据麦姆斯咨询报道,美国宾厄姆顿大学(Binghamton University)和纽约州立大学(State University of New York)的研究人员找到了一种提升微型传感器性能的方法,这种方法可能会对我们每天使用的电子设备产生深远的影响。

这项研究找到了一种更可靠的控制MEMS(微电子机械系统)执行器的方法,MEMS是具有运动部件的微型器件,通常与电子器件的制造方法类似。

宾厄姆顿大学研究团队发现,将两种静电驱动方法(平行板和悬浮执行器)相结合,就能得到可预测的线性变化,而单独使用这两种方法都无法实现线性变化。

美国国家科学基金会提供480,958美元资助该研究,该研究主要由博士生Mark Pallay在首席研究员机械工程副教授Shahrzad (Sherry) Towfighian和联合首席研究员机械工程特聘教授Ronald N. Miles的共同指导下完成。

该研究团队的成果对麦克风制造而言可能具有革命性,因为采用这种设计,信号可被提升到足够高的水平,电子设备的背景噪声就不再是问题。全球每年生产制造超过20亿只麦克风,并且随着目前越来越多的设备具有人声交互功能,该数字还将不断增长。

结合两种静电驱动方法,实现器件的线性变化

Miles说:“电子噪声真的很难消除,你可以听到背景中有嘶嘶声。但制造非常小型的麦克风时,噪声是个越来越难消除的问题。这也是一个越来越大的挑战。本研究提供了一种降低噪声的新选择。”

Towfighian对MEMS进行了广泛的研究,她解释说:这种微型器件中的执行器通常由两块中间有间隙的极板组成。当这些极板接收到一定电压时就会接近,从而激活器件。

想要对这种执行器进行微调是非常困难的,但如果在板的两侧添加两个电极就会产生悬浮效应,同时将两块板推开,从而实现更好地器件控制。

Towfighian说:“把这两种系统结合起来,我们就能摆脱传统器件的非线性变化。如果你给它加一定的电压,两板间就会保持一定的距离,并在很大范围的运动中保持这种距离。”

可预测的线性变化对器件制造至关重要

Miles认为,在制造麦克风的执行器时,可预测性至关重要,这是他最近研究的重点。

Miles解释说:“在传感器中,如果能做到移动一个单位,输出电压就增加一个单位,或者移动和输出电压的变化成比例,那么一切就会变得简单得多。在执行器中也是一样,当试图推动执行机构时,如果给它施加两倍的电压,就希望它移动两倍的距离,而非四倍。”

“这就如同一把上下移动时,刻度会发生变化的尺子。对于电容式传感器便是如此,极板向上移动时,器件的灵敏度和输出就存在这些奇怪的变化。这对于制造器件来说便是个非常头痛的问题。”

宾厄姆顿大学的研究人员开始这项研究时,并不清楚将这两种想法结合起来会得到理想的结果。

Miles说:“我们这个研究很神奇也很幸运之处在于:非线性的二者在结合时相互抵消了。它们的变化趋势相反。我们证明了在很大范围内,它们可保持线性变化。”

“利用这两种电极结构,通过在不同的电极施加电压,就能实现更多选择、做出更多的调整。而对于那种简单的平行板结构,只使用一种电压,就没有太多的设计空间。凭借我们开发的这项技术,有了更多的电极,也就能更好地控制设计。”

除了改善麦克风制造(使其尺寸更小、质量更好、价格更低)的潜力,Towfighian认为这种新型执行器的设计还可应用于包括陀螺仪、加速度计、压力传感器及其他开关等一系列研究领域。

Towfighian说:“我们仅在基础层面展示了这个概念,但它有着更广泛的应用前景。它可以改善许多器件的功能,因此其影响很可能是巨大的。”

延伸阅读:

《声学MEMS和音频解决方案-2017版》

《Vesper压电式MEMS麦克风:VM1000》

《压电能量收集和传感-2019版》

《MEMS产业现状-2019版》

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