MEMS傳感器有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

“滴”一聲，手機掃一掃，車鎖自動打開，隨著共享單車在各大城市的“站穩(wěn)腳跟”，這樣的場景已愈來愈被大家熟悉。不過，較少人會注意到，有的共享單車開鎖速度比以前快了，使用者等待的時間正在變短。

這么一個小小卻關(guān)鍵的變化，靠的就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的“神通”，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要分支。隨著各式物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用開枝散葉，微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器技術(shù)也不斷精進。

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)備，居于產(chǎn)業(yè)鏈的最底層。我國目前傳感器設(shè)備大多為進口，依賴大量進口傳感設(shè)備營造出的繁榮景象只是暫時的，背后的安全隱患難以消除。就像業(yè)界當年為克服對進口芯片的依賴而奮起研究“中國芯”一樣，現(xiàn)在傳感器產(chǎn)業(yè)也亟待一場“中國制造”的洗禮。在我國的傳感器短板中，又以MEMS(微機電系統(tǒng))傳感器為最大缺口。

下面隨小編一起來看看，MEMS傳感器有哪些應(yīng)用領(lǐng)域，大家的機會又在哪。

MEMS簡介

雖然大部分人對于MEMS（Microelectromechanical systems，微機電系統(tǒng)/微機械/微系統(tǒng)）還是感到很陌生，但是其實MEMS在我們生產(chǎn)，甚至生活中早已無處不在了，智能手機，健身手環(huán)、打印機、汽車、無人機以及VR/AR頭戴式設(shè)備，部分早期和幾乎所有近期電子產(chǎn)品都應(yīng)用了MEMS器件。

MEMS傳感器主要優(yōu)點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機械傳感器，在各個領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、甚至航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。

常見產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統(tǒng)，催化傳感器。

8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖

從硅原料到硅片過程。硅片上的重復(fù)單元可稱為芯片（chip 或die）。

MEMS應(yīng)用領(lǐng)域詳解

1.通信/移動設(shè)備

智能手機簡化示意圖

在智能手機中，iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器，環(huán)境光傳感器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風(fēng)。

iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個MEMS麥克風(fēng)。預(yù)計將來高端智能手機將采用數(shù)十個MEMS器件以實現(xiàn)多模通信、智能識別、導(dǎo)航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為LTE技術(shù)亮點部分，將利用MEMS天線開關(guān)和數(shù)字調(diào)諧電容器實現(xiàn)多頻帶技術(shù)。

以智能手機為主的移動設(shè)備中，應(yīng)用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗。這些傳感器并非手機等移動/通信設(shè)備獨有，在本文以及后續(xù)文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關(guān)MEMS器件。

通信系統(tǒng)中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙，wifi等等不同技術(shù)使用不同的通信頻率）被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開頻率的產(chǎn)生。

在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導(dǎo)體事業(yè)部）賣的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時間天津大學(xué)在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進步，AlN FBAR已經(jīng)被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

SMR示意圖

(非懸空結(jié)構(gòu)，采用Bragg reflector布拉格反射層)

如果所示，其中的紅色線條表示震動幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射，從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面，無法達到完美反射，因此部分能量向下泄露。

實物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設(shè)計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導(dǎo)致的諧振，如果水平方向有諧振則會形成雜波。

上圖所示為消除雜波前后等效導(dǎo)納（即阻抗倒數(shù)，或者簡單理解為電阻值倒數(shù)）。消除雜波后其特性曲線更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內(nèi)的紋波更小。

圖示為若干FBAR連接起來形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對比，該濾波器比米粒還要小上許多。

2.可穿戴/植入式領(lǐng)域

用戶與物聯(lián)網(wǎng)

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達不到大型外置儀器的水平）直接向用戶提供信息?？纱┐?應(yīng)該說是最受用戶關(guān)注，最感興趣的話題了。

大部分用戶對汽車、打印機內(nèi)的MEMS無感，這些器件與用戶中間經(jīng)過了數(shù)層中介。但是可穿戴/直接與用戶接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶喜愛，例子可見Fitbit等健身手環(huán)。

該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業(yè)，我們在此主要討論更受關(guān)注的前兩者。消費領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫(yī)療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監(jiān)測和護理。

傳統(tǒng)大型醫(yī)療器械優(yōu)勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一臺設(shè)備只完成單一功能。相比之下，某些醫(yī)療目標可以通過MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)勢，深入接觸測量目標，在達到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。

個人認為，MEMS醫(yī)療前景廣闊，不過離成熟運用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。

MEMS實現(xiàn)人體感官功能

可穿戴設(shè)備中最著名，流行的便數(shù)蘋果手表了，其實蘋果手表和蘋果手表結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對此不在贅敘。

蘋果手表示意圖

3.投影儀

投影儀所采用的MEMS微鏡如圖所示。其中掃描電鏡圖則是來自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。

每個微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過改變外部激勵從而控制同一個微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線向特定角度反射。

大量微鏡可以形成一個陣列從而進行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過許多方式實現(xiàn)，一種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹，當不同想同一個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅(qū)動方式，即通入電來產(chǎn)生靜電力來傾斜微鏡。

微鏡的SEM示意圖

微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

4.MEMS 加速度計

加速度傳感器是最早廣泛應(yīng)用的MEMS之一。MEMS，作為一個機械結(jié)構(gòu)為主的技術(shù)，可以通過設(shè)計使一個部件(圖中橙色部件)相對底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個部件稱為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。

綠色部分固定在底座。當感應(yīng)到加速度時，質(zhì)量塊相對底座產(chǎn)生位移。通過一些換能技術(shù)可以將位移轉(zhuǎn)換為電能，如果采用電容式傳感結(jié)構(gòu)（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號供其信號處理單元采樣。通過梳齒結(jié)構(gòu)可以極大地擴大傳感面積，提高測量精度，降低信號處理難度。加速度計還可以通過壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實現(xiàn)。

MEMS加速度計結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對位移，信號處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號，觸發(fā)氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

汽車碰撞后加速度計的輸出變化

實物圖，比例尺為20微米，即20/1000毫米。

5.打印噴嘴

一種設(shè)計精巧的打印噴如下圖所示。兩個不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過程為：1，左側(cè)加熱元件小于右側(cè)加熱元件，通入相同電流時，左側(cè)產(chǎn)生更多熱量，形成更大氣泡。左側(cè)氣泡首先擴大，從而隔絕左右側(cè)液體，保持右側(cè)液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品

另一種類型MEMS打印噴頭，也是通過加熱，氣泡擴大將墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物圖:

還有一種類型是通過壓電薄膜震動來擠壓墨水出來：

6.開關(guān)/繼電器

MEMS繼電器與開關(guān)。其優(yōu)勢是體積?。芏雀?，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統(tǒng)電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。

其尺寸微小，接近于固態(tài)開關(guān)，而電路通斷采用與機械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢劣勢基本上介于固態(tài)開關(guān)與傳統(tǒng)機械開關(guān)之間。MEMS繼電器與開關(guān)一般含有一個可移動懸臂梁，主要采用靜電致動原理，當提高觸點兩端電壓時，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個觸電移動，當移動至總行程的1/3時，開關(guān)將自動吸合（稱之為pull in現(xiàn)象）。

MEMS開關(guān)斷合示意圖

再貼上幾張實物圖片，與示意圖并非完全一致，但是原理類似，都是控制著一個間隙gap接觸與否：

生物類實驗

MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對其進行操作。

MEMS操作細胞示意圖

7.NEMS（納機電系統(tǒng)）

NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電系統(tǒng)）與MEMS類似，主要區(qū)別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度(小尺寸效應(yīng))，比MEMS更高的表面體積比可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭?(表面效應(yīng))，且具有利用量子效應(yīng)探索新型測量手段的潛力。

首個NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖所示。器件為一個 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應(yīng)用較多的有體加工技術(shù)，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會在之后的專題進行介紹）。

該器件設(shè)計用來進行超高密度，快速數(shù)據(jù)存儲，基于熱機械讀寫技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質(zhì)。該數(shù)據(jù)存儲技術(shù)來源于AFM(原子力顯微鏡)技術(shù)，相比磁存儲技術(shù)，基于AFM的存儲技術(shù)具有更大潛力。

快速熱機械寫入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念，‘寫入’時通過加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來代表一個bit。加熱時通過一個位于針尖下方的阻性平臺實現(xiàn)。

對于‘讀’，施加一個固定小電流，溫度將會被加熱平臺和存儲介質(zhì)的距離調(diào)制，然后通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應(yīng)（溫度變化導(dǎo)致材料電阻變化）或者壓阻效應(yīng)（材料收到壓力導(dǎo)致形變，從而導(dǎo)致導(dǎo)致材料電阻變化）讀取。

IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm

快速熱機械寫入技術(shù)示意圖

小結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)無疑是MEMS廠商心中最大的一個「夢」，無處不在的終端傳感器讓MEMS存在感劇增，與NB-IoT等新興的低功耗無線協(xié)議結(jié)合在一起，更得以實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)收集、分析和運營，定義出新的商業(yè)價值， 預(yù)計2020年的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備會超過500億臺。中國未來的MEMS傳感器能否實現(xiàn)中國制造，就看你們的了。