MEMS傳感器：微制造革命的藝術(shù)與科技交響

MEMS傳感器基本構(gòu)成MEMS被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一，如果半導(dǎo)體微制造被視為第一次微制造革命，MEMS則是第二次革命。通過結(jié)合硅基微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，MEMS具有革命性的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品的潛力。

事實(shí)上，MEMS這個(gè)詞實(shí)際上有一定誤導(dǎo)，因?yàn)樵S多微機(jī)械設(shè)備在任何意義上都不是機(jī)械的。然而，MEMS又不僅僅是關(guān)于機(jī)械部件的微型化或用硅制造東西，它是是一種利用批量制造技術(shù)設(shè)計(jì)、創(chuàng)建復(fù)雜機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)及其集成電子設(shè)備的范例。再具化一點(diǎn)講，集成電路的設(shè)計(jì)是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機(jī)械特性，或者說利用硅的電學(xué)和機(jī)械特性。那MEMS傳感器又是什么？MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。下圖是一張典型的MEMS麥克風(fēng)內(nèi)部構(gòu)造示意圖，來自中國MEMS第一大廠歌爾微電子。這是一顆MEMS麥克風(fēng)，可以看到這顆傳感器的主要器件是一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片，以及與基板、外殼等封裝一起，就做成了一顆MEMS傳感器。這也是大部分MEMS傳感器的基礎(chǔ)構(gòu)造。MEMS芯片來將聲音轉(zhuǎn)化為電容、電阻等信號(hào)變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號(hào)變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

全球最主流的MEMS器件分別是：MEMS射頻器件、壓力傳感器、慣性組合傳感器、聲學(xué)傳感器、加速度傳感器、噴墨打印頭、微型熱輻射傳感器、陀螺儀傳感器、光學(xué)傳感器、硅基微流控制器件、熱電堆傳感器、磁傳感器。

MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器，就是測(cè)量壓力的，主要分為電容式和電阻式。隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機(jī)中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測(cè)量大氣壓力。測(cè)量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計(jì)算海拔高度，同GPS定位信號(hào)配合，實(shí)現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級(jí)數(shù)等都可以檢測(cè)。MEMS壓力傳感器的原理也非常簡(jiǎn)單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì)導(dǎo)致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應(yīng)變儀來測(cè)量這種形變，進(jìn)而計(jì)算受到的壓力。下圖1是一種電容式MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)受到壓力時(shí)，上下兩個(gè)橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導(dǎo)致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測(cè)算出壓力大小。下圖2是一種MEMS電阻式壓力傳感器的工作動(dòng)圖，由一個(gè)帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測(cè)量值。

MEMS加速度傳感器MEMS加速度傳感器利用加速度來感測(cè)運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)，比如消費(fèi)電子中最廣泛的體感檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、姿態(tài)識(shí)別等等。MEMS加速度傳感器的原理非常易于理解，那就是高中物理最基礎(chǔ)的牛頓第二定律。力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度的大小與外力成正比，與物體質(zhì)量成反比：F=ma。所以MEMS加速度傳感器本質(zhì)上也是一種壓力傳感器，要計(jì)算加速度，本質(zhì)上也是計(jì)算由于狀態(tài)的改變，產(chǎn)生的慣性力，常見的加速度傳感器包括壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。其中，電容式硅微加速度計(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測(cè)能力提高，電容式MEMS加速度計(jì)的精度也在不斷提升。其中，電容式硅微加速度計(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測(cè)能力提高，電容式MEMS加速度計(jì)的精度也在不斷提升。下圖是3軸MEMS加速度傳感器的封裝結(jié)構(gòu)，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結(jié)構(gòu)上是分開設(shè)計(jì)的。

MEMS陀螺儀傳感器MEMS陀螺儀又稱MEMS角速度傳感器，是一種測(cè)量角速度傳感器，其原理相對(duì)來說復(fù)雜點(diǎn)。測(cè)量角速度，不是一件容易的事情，必須在運(yùn)動(dòng)的物體中，尋找到一個(gè)靜止不動(dòng)的錨定物——這個(gè)錨定物就是陀螺。人們發(fā)現(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)中的陀螺，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸不隨外界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而改變，會(huì)一直穩(wěn)定指向一個(gè)方向。陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來保持穩(wěn)定。動(dòng)物界中穩(wěn)定性最好的就是禽類動(dòng)物，譬如雞，所以很多人開玩笑說，雞的腦袋里肯定裝了一個(gè)先進(jìn)的陀螺儀，不管怎么動(dòng)它，腦袋就是不動(dòng)。而用陀螺儀，也可以保持機(jī)器的穩(wěn)定性。

至于陀螺儀的結(jié)構(gòu)，核心就是一個(gè)呼呼轉(zhuǎn)不停的轉(zhuǎn)子，作為其他運(yùn)動(dòng)物體的靜止錨定物。右圖，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺在一條線上保持平衡，這就是陀螺儀的基本原理。再回到MEMS陀螺儀，與傳統(tǒng)的陀螺儀工作原理有差異，因?yàn)椤拔⒌瘛奔夹g(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的立體轉(zhuǎn)子，并不是一件容易的事。MEMS陀螺儀陀螺儀利用科里奧利力原理——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。這種力超出了筆者的高中物理水平，怎么描述這種科里奧利力呢？可以想象一下游樂場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)魔盤，人在旋轉(zhuǎn)軸附近最穩(wěn)定，但當(dāng)大圓盤轉(zhuǎn)速增加時(shí)，人就會(huì)自動(dòng)滑向盤邊緣，仿佛被一個(gè)力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速，這個(gè)力就是科里奧利力。

所以MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)，就是一個(gè)在圓盤上的物體塊，被驅(qū)動(dòng)，不停地來回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩。由于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中做徑向運(yùn)動(dòng)，因此就會(huì)產(chǎn)生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，通過電容變化來測(cè)量科里奧利力。

下圖是MEMS芯片微觀結(jié)構(gòu)，各種機(jī)械結(jié)構(gòu)密密麻麻，像是一個(gè)宏偉的建筑。注意看，左上角是一根頭發(fā)絲。

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2024全國化學(xué)傳感器創(chuàng)新研究與發(fā)展研討會(huì)

2024全國化學(xué)傳感器創(chuàng)新研究與發(fā)展研討會(huì)

本次會(huì)議聚焦先進(jìn)化學(xué)傳感器、高靈敏生命分析、成像技術(shù)、生物傳感器等熱點(diǎn)問題展開討論。組委會(huì)經(jīng)協(xié)商，現(xiàn)決定2024全國化學(xué)傳感器創(chuàng)新研究與發(fā)展研討會(huì)定于2024年11月22日-24日在廈門市召開。會(huì)議將邀請(qǐng)國內(nèi)眾多知名專家學(xué)者，共同探討化學(xué)傳感領(lǐng)域的最新研究成果和發(fā)展趨勢(shì)。分享報(bào)告人課題組近期科研進(jìn)展。并歡迎青年學(xué)者及研究生進(jìn)行宣講或者展示所在團(tuán)隊(duì)最新科研動(dòng)態(tài)，促進(jìn)思想碰撞和交流合作。