MEMS超声波换能器产业前景光明
2019-01-04

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随着全球范围内工业自动化水平的提高,各种复杂的应用也越来越多,这对传感器的功能也提出了越来越多、越来越高的要求。在这种背景下,不同类型、不同原理的传感器也应运而生,超声波传感器就是其中一种。首先要解释的是什么是超声波:我们都知道声音是由振动产生的,它是一种波,其在空气或其他介质中是以震动的方式向其他方向传播的,我们平时听到的声音就是频率在20Hz到20kHz之间的声波,超过20kHz的声波人耳朵是识别不到的。所以我们把振动频率高于20kHz的声波称之为超声波。它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够定向传播等特点,超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波的特点。超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号(通常是电信号)的传感器。


MEMS超声波传感器大小仅为传统压电陶瓷超声波传感器的1/4,可应用于消费电子、机器人以及无人机等领域。作为汽车和工业应用,以MEMS超声波传感通过声波发送,然后接收传感器视场范围内物体的回声,根据声波传输的速度,就可以精准的测量周围物体的距离和位置。及无人机和机器人等领域最佳的测距传感器,MEMS超声波传感器具备多种优势。不论探测目标的尺寸如何,MEMS超声波传感器都能够提供最精准的距离测量,并且无惧环境噪音的影响。而且,不同于光学ToF传感器,MEMS超声波传感器能够在日光直射下正常工作。


超声波传感器凭借其坚固性、精准性和可靠性优势,广泛应用于工业和汽车等领域,不过迄今为止,传统超声波传感器过大的尺寸和形貌仍不适用于消费类电子产品。MEMS的超声波传感芯片,以传统超声波ToF传感器1/4的尺寸,提供了一样的传感性能。在降低传感器尺寸的同时,也大幅降低了功耗,其工作电流仅为几个微安(micro-amps)。这款微尺寸、超低功耗且易用的超声波传感芯片,为超声波ToF传感器的应用开辟了更广阔的天地。


超声波传感模组:2017年市场为21亿美元,预计2023年将接近60亿美元


由于新兴应用的出现,超声波传感模组市场将在未来五年内蓬勃发展,2017~2023年期间的复合年增长率为18%。2017年,最大的超声波传感模组市场是停车辅助,其次是自动化。但是,消费类领域的指纹识别和医疗领域的新应用将以惊人的速度成长。指纹传感模组的增速最快,并随着PMUT的引入,有望看到技术方面产生最大变化


主要面临的挑战已经解决,MEMS超声波换能器产业满怀希望


在日立2008年6月发布新款数字化彩色超声波诊断仪之后,经过十年长期的努力,MEMS超声波换能器技术终于引起产业很高的期望。虽然主要面临的挑战已经解决,但是业界还在研发新型MEMS超声波换能器,并根据市场应用进行优化。MEMS器件不仅要性能满足需求,还需在研发和生产设施方面投入巨资。MEMS代工厂现在已经为超声波换能器做足准备,可提供大批量生产服务。在前道工艺方面,薄膜压电层沉积工艺取得了很大进步,并实现了均匀性和一致性。Teledyne Dalsa的钪掺杂氮化铝(AlN)、富士胶片(Fujifilm)的铌掺杂PZT,显著地提升了PMUT器件性能。飞利浦和Micralyne花了超过15年的时间来解决CMUT的主要挑战:CMUT结构的寿命问题和棘手的组装挑战。由于CMUT结构和两侧电极的存在,CMUT组件比PMUT更复杂。因此,PMUT是高集成度和小型化的更好选择。




 

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