【導(dǎo)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(jì)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、光線檢測(cè)到自然界各種各樣現(xiàn)象的傳感器正被廣泛應(yīng)用。
比如使用通過(guò)體溫檢測(cè)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(fèi)。而地震傳感器可以檢測(cè)出強(qiáng)烈的地震，從而中止裝置和設(shè)備的使用，避免機(jī)器發(fā)生故障和引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害。
而隱藏在智能手機(jī)中的麥克風(fēng)其實(shí)也是傳感器的一種，能夠檢測(cè)到從高音到低音廣域的音頻，通過(guò)內(nèi)置傳感器將通話音量和音色進(jìn)行清晰地傳遞。
MEMS麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)
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，聚集著檢測(cè)裝置、控制器等各種組件，可將檢測(cè)到的機(jī)械數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)進(jìn)行傳輸。這些微小的機(jī)器，被稱作MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)。
MEMS作為新世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)正在各類領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用程序變得種類繁多也與MEMS小型化、高精度有著直接的關(guān)系。當(dāng)智能手機(jī)處于傾斜的狀態(tài)時(shí)，手機(jī)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(biāo)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(jī)也能讀取出使用者真正的運(yùn)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(tái)階產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，也會(huì)被計(jì)入真正的運(yùn)動(dòng)量。
那么，如何評(píng)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(jù)計(jì)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(cè)出同真空狀態(tài)下相比，所產(chǎn)生的細(xì)小氣壓差，就是絕對(duì)壓力傳感器。
世界最高等級(jí)(*)精度的絕對(duì)壓力傳感器
(2016年1月12日 歐姆龍公司調(diào)查)
2.0mm×2.5mm×0.85mm，在如同筆尖般大小的包裝里，附帶著能夠檢測(cè)氣壓和實(shí)現(xiàn)控制效果的IC芯片。它能夠檢測(cè)出相當(dāng)于高度±5cm的±0.6Pa的氣壓變化。人們?cè)谏舷屡_(tái)階每一步所產(chǎn)生的移動(dòng)距離，都能夠被精準(zhǔn)地檢測(cè)到。
如此精密且小巧的機(jī)器尺寸也達(dá)到了世界尖端水平。
通過(guò)無(wú)限組合，集結(jié)不同領(lǐng)域的成員
對(duì)于開發(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(xì)微氣壓變化的機(jī)器要比想象中還要困難。
在封裝內(nèi)部，裝有懸掛在真空環(huán)境中的硅薄膜(隔膜)，檢測(cè)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(cè)精度，硅膜片必須做到盡可能薄，以便在感觸細(xì)微的氣壓后可以產(chǎn)生巨大的變形。
另外，在根據(jù)薄膜形狀變化處理電子信號(hào)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(duì)壓力傳感器結(jié)構(gòu)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?歐姆龍開發(fā)團(tuán)隊(duì)的成員們從產(chǎn)品材料到構(gòu)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、固定零件的粘合材料……開發(fā)團(tuán)隊(duì)為了尋找用于各個(gè)部分的最佳材料進(jìn)行了無(wú)數(shù)次的組合測(cè)試。
擔(dān)任開發(fā)的井上回憶說(shuō)，
“我們的目標(biāo)是不斷提高傳感器性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)和成本的平衡。我們?cè)诋a(chǎn)品構(gòu)造和材料方面與不同專業(yè)領(lǐng)域和職能的成員們一起工作，收集意見，不斷反復(fù)進(jìn)行原型的設(shè)計(jì)和評(píng)估，以求找到最佳配置。在歷盡艱辛達(dá)成目標(biāo)配置時(shí)，我們嘗試的方案數(shù)量令人難以置信，我們甚至質(zhì)疑迄今為止所學(xué)習(xí)的常識(shí)，并嘗試采用被認(rèn)為是不可能的材料。通過(guò)這種方式，我們與樹脂材料制造商也一起進(jìn)步成長(zhǎng)。”
但是，制造出樣機(jī)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(diào)，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(yàn)。
開發(fā)者們說(shuō)道，
“歐姆龍已累計(jì)生產(chǎn)超過(guò)10億個(gè)智能手機(jī)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(diào)試步驟。但是，通過(guò)充分利用歐姆龍積累多年的精細(xì)加工、包裝技術(shù)和質(zhì)量檢驗(yàn)等專有技術(shù)，使得絕對(duì)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(tuán)隊(duì)最終成功地研發(fā)出具有世界頂級(jí)水平、能夠檢測(cè)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(xiàng)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(jí)水平的傳感器，得益于歐姆龍企劃、開發(fā)、技術(shù)、品質(zhì)保證和營(yíng)業(yè)各個(gè)部門成員的努力。這不是憑借一人之力，而是大家不斷進(jìn)行挑戰(zhàn)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(xiàn)實(shí)
絕對(duì)壓力傳感器以極小的體型和能夠檢測(cè)±0.6Pa氣壓變化的高性能，將在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。對(duì)于站立、端坐、睡覺、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(cè)，包括三維空間精確的高度變化。充分利用絕對(duì)壓力傳感器進(jìn)行動(dòng)作和位置判斷這些特點(diǎn)，將會(huì)開發(fā)出越來(lái)越多的應(yīng)用，特別是在智能手機(jī)和各種穿戴設(shè)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(zāi)害發(fā)生時(shí)等待救援的幸存者在建筑內(nèi)的具體位置，在這些情況下，MEMS可以在GPS信號(hào)無(wú)法達(dá)到的室內(nèi)空間中，準(zhǔn)確把握相應(yīng)的位置，為防盜、兒童保護(hù)、受災(zāi)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(xiàn)。比如可穿戴設(shè)備通過(guò)高精度測(cè)量上下臺(tái)階或坡道所產(chǎn)生的距離，進(jìn)而計(jì)算出相關(guān)的運(yùn)動(dòng)量。
我們可以相信，在2020年召開的東京奧運(yùn)會(huì)上，歐姆龍MEMS絕對(duì)壓力傳感器將被安裝在創(chuàng)新的3D導(dǎo)航系統(tǒng)，引導(dǎo)來(lái)自世界各地的游客。
項(xiàng)目管理者安達(dá)先生說(shuō)道：
“通過(guò)檢測(cè)自然界的各種現(xiàn)象，如壓力，慣性，流量，溫度，聲音和光線，與歐姆龍的傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)合，轉(zhuǎn)換成具有價(jià)值的信息，我們可以為人類創(chuàng)造出更加便利且前所未有的產(chǎn)品。歐姆龍團(tuán)隊(duì)的所有成員將共同努力，通過(guò)MEMS，將未來(lái)從期望轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。”
對(duì)于未來(lái)，大家所期望的事情有哪些?
所期望的事情成為現(xiàn)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(xiàn)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)。
推薦閱讀：
