【導讀】如下圖所示，這如同心臟跳動(dòng)般的律動(dòng)，來(lái)自組成歐姆龍血壓計的壓力傳感器，只有1.36平方毫米大小。從日常生活到產(chǎn)業(yè)各界，通過(guò)壓力、慣性、流量、溫度、聲音、光線(xiàn)檢測到自然界各種各樣現象的傳感器正被廣泛應用。
比如使用通過(guò)體溫檢測到人體的紅外傳感器，就可以只在有人的地方進(jìn)行照明和提供冷氣，從而大大削減用電量的浪費。而地震傳感器可以檢測出強烈的地震，從而中止裝置和設備的使用，避免機器發(fā)生故障和引發(fā)火災等次生災害。
而隱藏在智能手機中的麥克風(fēng)其實(shí)也是傳感器的一種，能夠檢測到從高音到低音廣域的音頻，通過(guò)內置傳感器將通話(huà)音量和音色進(jìn)行清晰地傳遞。
MEMS麥克風(fēng)的結構
這些傳感器的特點(diǎn)是非常小。在只有幾毫米大小的硬件中，聚集著(zhù)檢測裝置、控制器等各種組件，可將檢測到的機械數據轉換為電氣信號進(jìn)行傳輸。這些微小的機器，被稱(chēng)作MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)。
MEMS作為新世紀的關(guān)鍵技術(shù)正在各類(lèi)領(lǐng)域得到廣泛應用。智能手機、可穿戴設備相關(guān)的應用程序變得種類(lèi)繁多也與MEMS小型化、高精度有著(zhù)直接的關(guān)系。當智能手機處于傾斜的狀態(tài)時(shí)，手機屏幕的方向也會(huì )隨之變化，而使用的地圖app仍會(huì )正確地標示出使用者所在的地理位置。而在步行中，無(wú)論怎樣活動(dòng)，智能手機也能讀取出使用者真正的運動(dòng)量。這些功能都得益于MEMS。
近些年，MEMS傳感器已能夠收集到“高度”的信息，這也引起人們的廣泛關(guān)注。在位置信息上添加高度信息，就可以定位(navigation)人在建筑物的所在高度和具體位置。而即使是上下臺階產(chǎn)生的運動(dòng)，也會(huì )被計入真正的運動(dòng)量。
那么，如何評估“高度”呢?關(guān)鍵就是掌握氣壓差。眾所周知，氣壓隨高度的上升而下降。據計算，珠穆朗瑪峰頂峰的氣壓只有地面的30%。不止在高處，日常生活中，我們也經(jīng)常接觸到由極小的空氣分子質(zhì)量差引起的氣壓變化。而能夠檢測出同真空狀態(tài)下相比，所產(chǎn)生的細小氣壓差，就是絕對壓力傳感器。
世界最高等級(*)精度的絕對壓力傳感器
(2016年1月12日 歐姆龍公司調查)
2.0mm×2.5mm×0.85mm，在如同筆尖般大小的包裝里，附帶著(zhù)能夠檢測氣壓和實(shí)現控制效果的IC芯片。它能夠檢測出相當于高度±5cm的±0.6Pa的氣壓變化。人們在上下臺階每一步所產(chǎn)生的移動(dòng)距離，都能夠被精準地檢測到。
如此精密且小巧的機器尺寸也達到了世界尖端水平。
通過(guò)無(wú)限組合，集結不同領(lǐng)域的成員
對于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，在僅有2平方毫米大小的包裝里制造能夠捕捉到細微氣壓變化的機器要比想象中還要困難。
在封裝內部，裝有懸掛在真空環(huán)境中的硅薄膜(隔膜)，檢測外部空氣進(jìn)入隔膜后所產(chǎn)生的氣壓變化。為了提高傳感器的檢測精度，硅膜片必須做到盡可能薄，以便在感觸細微的氣壓后可以產(chǎn)生巨大的變形。
另外，在根據薄膜形狀變化處理電子信號的回路上，為了提高傳輸精度，如何降低噪音也成為一大課題。
即使這些問(wèn)題都能解決，由于傳感器精度提高而產(chǎn)生的溫度變化所引發(fā)的殼體輕微變形的問(wèn)題依然存在。
絕對壓力傳感器結構圖
如何創(chuàng )造出一個(gè)靈敏度高且能防止氣壓以外壓力的傳感器?歐姆龍開(kāi)發(fā)團隊的成員們從產(chǎn)品材料到構成部件到配置優(yōu)化進(jìn)行了徹底的討論。覆蓋IC芯片的蓋子、連接傳感器和IC芯片的電線(xiàn)、固定零件的粘合材料……開(kāi)發(fā)團隊為了尋找用于各個(gè)部分的最佳材料進(jìn)行了無(wú)數次的組合測試。
擔任開(kāi)發(fā)的井上回憶說(shuō)，
“我們的目標是不斷提高傳感器性能，同時(shí)實(shí)現穩定生產(chǎn)和成本的平衡。我們在產(chǎn)品構造和材料方面與不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域和職能的成員們一起工作，收集意見(jiàn)，不斷反復進(jìn)行原型的設計和評估，以求找到最佳配置。在歷盡艱辛達成目標配置時(shí)，我們嘗試的方案數量令人難以置信，我們甚至質(zhì)疑迄今為止所學(xué)習的常識，并嘗試采用被認為是不可能的材料。通過(guò)這種方式，我們與樹(shù)脂材料制造商也一起進(jìn)步成長(cháng)。”
但是，制造出樣機并不容易。
組裝1平方毫米以下的零件，更要在這一位置上以μm為單位進(jìn)行微調，需要操作者具有極高的安裝技術(shù)。打破困難的關(guān)鍵，是歐姆龍歷經(jīng)20余年在MEMS領(lǐng)域累積的充足經(jīng)驗。
開(kāi)發(fā)者們說(shuō)道，
“歐姆龍已累計生產(chǎn)超過(guò)10億個(gè)智能手機中的麥克風(fēng)，擁有先進(jìn)的MEMS制造技術(shù)。MEMS器件難以組裝，且生產(chǎn)上需要很多調試步驟。但是，通過(guò)充分利用歐姆龍積累多年的精細加工、包裝技術(shù)和質(zhì)量檢驗等專(zhuān)有技術(shù)，使得絕對壓力傳感器的發(fā)展成為可能。”
今天享有的成就不僅是成功，也有不斷的失敗。
通過(guò)去除其他可能的壓力影響，團隊最終成功地研發(fā)出具有世界頂級水平、能夠檢測出±0.6Pa的氣壓變化。
歐姆龍的MEMS是在融合了‘過(guò)去技術(shù)的傳承 ’ 和‘新技術(shù)的創(chuàng )新 ’中誕生。能夠在項目啟動(dòng)后僅僅一年半的時(shí)間里，就完成和發(fā)布了世界頂級水平的傳感器，得益于歐姆龍企劃、開(kāi)發(fā)、技術(shù)、品質(zhì)保證和營(yíng)業(yè)各個(gè)部門(mén)成員的努力。這不是憑借一人之力，而是大家不斷進(jìn)行挑戰的成果。創(chuàng )造出新型傳感器，為社會(huì )提供能新價(jià)值，這是每一個(gè)成員所想。
通過(guò)制造，使MEMS從期望變?yōu)楝F實(shí)
絕對壓力傳感器以極小的體型和能夠檢測±0.6Pa氣壓變化的高性能，將在未來(lái)實(shí)現更廣泛的應用。對于站立、端坐、睡覺(jué)、跌倒以及上下樓梯時(shí)人們的動(dòng)作和位置變化都能夠進(jìn)行檢測，包括三維空間精確的高度變化。充分利用絕對壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)作和位置判斷這些特點(diǎn)，將會(huì )開(kāi)發(fā)出越來(lái)越多的應用，特別是在智能手機和各種穿戴設備方面。
“比如，不知道在商場(chǎng)走失的孩子在第幾層時(shí)，或是無(wú)法確定災害發(fā)生時(shí)等待救援的幸存者在建筑內的具體位置，在這些情況下，MEMS可以在GPS信號無(wú)法達到的室內空間中，準確把握相應的位置，為防盜、兒童保護、受災救助起到安心、安全的功效。”
除此以外，MEMS還可以為健康領(lǐng)域做出貢獻。比如可穿戴設備通過(guò)高精度測量上下臺階或坡道所產(chǎn)生的距離，進(jìn)而計算出相關(guān)的運動(dòng)量。
我們可以相信，在2020年召開(kāi)的東京奧運會(huì )上，歐姆龍MEMS絕對壓力傳感器將被安裝在創(chuàng )新的3D導航系統，引導來(lái)自世界各地的游客。
項目管理者安達先生說(shuō)道：
“通過(guò)檢測自然界的各種現象，如壓力，慣性，流量，溫度，聲音和光線(xiàn)，與歐姆龍的傳感技術(shù)和數據結合，轉換成具有價(jià)值的信息，我們可以為人類(lèi)創(chuàng )造出更加便利且前所未有的產(chǎn)品。歐姆龍團隊的所有成員將共同努力，通過(guò)MEMS，將未來(lái)從期望轉變?yōu)楝F實(shí)。”
對于未來(lái)，大家所期望的事情有哪些?
所期望的事情成為現實(shí)的未來(lái)一定會(huì )讓人非常興奮。而這些興奮終究會(huì )變?yōu)楝F實(shí)，歐姆龍將以自身的技術(shù)迎接這個(gè)時(shí)刻的到來(lái)。
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