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最近幾年，傳感器產(chǎn)業(yè)的投融資市場熱了起來，而許多傳感器上市企業(yè)，如歌爾股份（歌爾微電子）、瑞聲科技、敏芯微、納芯微、芯動聯(lián)科、高華科技等等都是MEMS傳感器企業(yè)，MEMS智能傳感器也是國家政策扶持、資金流入的首要傳感器領(lǐng)域。 MEMS技術(shù)是當今最炙手可熱的傳感器制造技術(shù)，也是傳感器小型化、智能化、低能耗的重要推動力，MEMS技術(shù)促進了傳感器的極大發(fā)展，如果沒有MEMS技術(shù)，傳感器的未來將黯淡無光。 傳感器專家網(wǎng) 專注于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，致力于對全球前沿市場動態(tài)、技術(shù)趨勢與產(chǎn)品選型進行專業(yè)垂直的服務(wù)，是國內(nèi)領(lǐng)先的傳感器產(chǎn)品查詢與媒體信息服務(wù)平臺?；趥鞲衅鳟a(chǎn)品與技術(shù)，對廣大電子制造從業(yè)者與傳感器制造者提供精準的匹配與對接。 MEMS主要采用微電子技術(shù)，在微納米的體積下塑造傳感器的機械結(jié)構(gòu)，因此，我們很難直觀看到其工作原理，很多行業(yè)內(nèi)外人士也很難知道各種MEMS智能傳感器的工作方式。 本文以最清晰明了的方式，收集了大量MEMS結(jié)構(gòu)圖、微觀運動原理動圖，直觀闡述主流MEMS傳感器的工作原理！推薦想要了解MEMS智能傳感器的伙伴閱讀！文中包括10大主流MEMS智能包括： 什么是MEMS？MEMS傳感器基本構(gòu)成 一、MEMS聲學傳感器 二、MEMS壓力傳感器 三、MEMS加速度傳感器 四、MEMS陀螺儀傳感器 五、MEMS組合慣性傳感器 六、MEMS磁傳感器 七、MEMS微流控系統(tǒng) 八、射頻MEMS 九、DMD（數(shù)字微鏡器件） 十、MEMS噴墨打印頭 什么是MEMS？MEMS傳感器基本構(gòu)成 MEMS是 在整個大的信息系統(tǒng)里有點類似于人的感官系統(tǒng)，例如MEMS麥克風芯片相當于人的耳朵，可以感知聲音；MEMS揚聲器芯片相當于人的嘴巴，可以發(fā)出聲音；MEMS加速度計、陀螺儀、磁傳感器芯片相當于人的小腦，可以感知方向和速度；MEMS壓力芯片相當于人的皮膚，可以感知壓力；MEMS化學傳感器相當于人的鼻腔，可以感知味道和溫濕度。沒有MEMS芯片的人工智能和萬物互聯(lián)，就相當于沒有感官器官的人。 下圖是來自日本豐橋技術(shù)科學大學，通過高精度傳感器拍攝的微米級MEMS機械結(jié)構(gòu)運動情況，可以很直觀看到MEMS具有常規(guī)的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但是尺寸做到了微米級甚至納米級。  MEMS被認為是21世紀最有前途的技術(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)和微機械加工技術(shù)，MEMS具有革命性的工業(yè)和消費產(chǎn)品的潛力。 在此需要劃重點的是，MEMS是一種制造技術(shù)，諸如杠桿、齒輪、活塞、發(fā)動機甚至蒸汽機都是由MEMS制造的。 事實上，MEMS這個詞實際上有一定誤導(dǎo)，因為許多微機械設(shè)備在任何意義上都不是機械的。然而，MEMS又不僅僅是關(guān)于機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、創(chuàng)建復(fù)雜機械設(shè)備和系統(tǒng)及其集成電子設(shè)備的范例。再具化一點講，集成電路的設(shè)計是為了利用硅的電學特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說利用硅的電學和機械特性。 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，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、電阻等信號變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號變化轉(zhuǎn)化為電信號，由此實現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號轉(zhuǎn)化為電信號。  ▲MEMS聲學傳感器構(gòu)造圖（來自歌爾微招股書） 常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、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。  根據(jù)著名市場調(diào)研公司Yole的數(shù)據(jù)，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、光學傳感器、硅基微流控制器件、熱電堆傳感器、磁傳感器。  因為MEMS的微觀特性，我們很難直觀了解到各MEMS傳感器的工作情況，下面特意搜集大量的動圖，可以直觀“看”到各主流MEMS傳感器的工作原理。 一、MEMS聲學傳感器 MEMS聲學傳感器主要指硅麥克風、超聲波傳感器等，其中，硅麥克風是應(yīng)用最多的MEMS聲學傳感器。 硅麥克風是指利用MEMS技術(shù)，在硅基上制造的微縮麥克風，迎合目前3C產(chǎn)品小型化和集成化趨勢，所以TWS耳機、手機麥克風，才會實現(xiàn)如此集成化效果。  上圖是一顆MEMS麥克風的封裝構(gòu)造，由三部分構(gòu)成，第一部分是MEMS芯片，第二部分是ASIC芯片，第三部分是金屬外殼，底部PCB板上有信號端子（上右圖黃色方塊部分）和接地端子（上右圖黃色圓圈部分）。根據(jù)信號處理方式的不同，不同信號MEMS麥克風的信號端子數(shù)量不同常見的為2~4個（Airpods Pro的麥克風有4個信號端子）。 下圖是一顆來自樓氏電子的MEMS芯片，用高精度傳感器拍攝的實拍圖片，呈正方形，邊長1mm。  無論是傳統(tǒng)的駐極體麥克風（electret microphone）還是MEMS麥克風，其工作原理都是一樣的。 MEMS傳感器由上下兩層構(gòu)成一個電容器，上層為孔洞結(jié)構(gòu)（下圖黃色/綠色部分）術(shù)語為背板，下層為密閉結(jié)構(gòu)，術(shù)語為振膜。當聲音通過進音孔傳遞到傳感器時，聲壓會導(dǎo)致兩層振膜震動，從而導(dǎo)致振膜和背板之間的間距發(fā)生變化，進而使振膜和背板之間的電容發(fā)生變化，這樣也就是將聲壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘枴?/span>  下圖是MEMS芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由高精度傳感器拍攝，能直觀看到，MEMS底層薄膜隨聲波震動，從而將聲壓轉(zhuǎn)換為電容、電阻信號，再經(jīng)過ASIC芯片處理輸出為電信號，這就是MEMS麥克風工作的整個流程  下圖為蘋果公司AirPods Pro無線藍牙耳機上的三顆MEMS麥克風實拍圖，均是我國MEMS聲學傳感器龍頭企業(yè)歌爾微電子供應(yīng)。  二、MEMS壓力傳感器 MEMS壓力傳感器，就是測量壓力的，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，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數(shù)等都可以檢測。 MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結(jié)構(gòu)就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導(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)變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。 下圖是一種電容式MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當受到壓力時，上下兩個橫隔(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)此可以測算出壓力大小。  下圖是一種MEMS電阻式壓力傳感器的工作動圖，由一個帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。  下圖是一種MEMS電容式壓力傳感器實物圖。 三、MEMS加速度傳感器 MEMS加速度傳感器利用加速度來感測運動和震動，比如消費電子中最廣泛的體感檢測，廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動和搖晃、姿態(tài)識別等等。 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，要計算加速度，本質(zhì)上也是計算由于狀態(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由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。 電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。 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)計的。 下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，梳狀結(jié)構(gòu)緊密排列。 下圖來自博世，顯示了微觀轉(zhuǎn)態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結(jié)構(gòu)。 下圖來自博世，但物體產(chǎn)生加速度時，帶動梳妝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，使梳妝結(jié)構(gòu)間電容改變，從而測量出加速度值。 四、MEMS陀螺儀傳感器 MEMS陀螺儀又稱MEMS角速度傳感器，是一種測量角速度傳感器，其原理相對來說復(fù)雜點。 測量角速度，不是一件容易的事情，必須在運動的物體中，尋找到一個靜止不動的錨定物——這個錨定物就是陀螺。人們發(fā)現(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)中的陀螺，角動量很大，旋轉(zhuǎn)軸不隨外界運動狀態(tài)改變而改變，會一直穩(wěn)定指向一個方向。 陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來保持穩(wěn)定。動物界中穩(wěn)定性最好的就是禽類動物，譬如雞，所以很多人開玩笑說，雞的腦袋里肯定裝了一個先進的陀螺儀，不管怎么動它，腦袋就是不動。而用陀螺儀，也可以保持機器的穩(wěn)定性。 至于陀螺儀的結(jié)構(gòu)，核心就是一個呼呼轉(zhuǎn)不停的轉(zhuǎn)子，作為其他運動物體的靜止錨定物。下圖，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，因為“微雕”技術(shù)在硅片襯底上加工出一個可轉(zhuǎn)動的立體轉(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)物體在有徑向運動時所受到的切向力。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的旋轉(zhuǎn)魔盤，人在旋轉(zhuǎn)軸附近最穩(wěn)定，但當大圓盤轉(zhuǎn)速增加時，人就會自動滑向盤邊緣，仿佛被一個力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速，這個力就是科里奧利力。 所以MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)，就是一個在圓盤上的物體塊，被驅(qū)動，不停地來回做徑向運動或者震蕩。由于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中做徑向運動，因此就會產(chǎn)生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個方向的可移動電容板，通過電容變化來測量科里奧利力。 下圖是MEMS陀螺儀的工作動圖，傳感器的外框在旋轉(zhuǎn)運動期間沿相反方向擺動，當物體旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)部梳狀結(jié)構(gòu)一部分產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，改變梳狀結(jié)構(gòu)間的距離，從而改變電容，測量出轉(zhuǎn)角。 下圖是一顆封裝好的3軸MEMS陀螺儀，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整個器件尺寸為4mmX4mmX1.1mm。 下圖是MEMS芯片圍觀結(jié)構(gòu)，各種機械結(jié)構(gòu)密密麻麻，像是一個宏偉的建筑。注意看，左上角是一根頭發(fā)絲。 五、MEMS組合慣性傳感器 MEMS組合慣性傳感器不是一種新的MEMS傳感器類型，而是指加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等的組合，利用各種慣性傳感器的特性，可以實現(xiàn)全方位、立體運動的檢測。 組合慣性傳感器的一個被廣為熟悉的應(yīng)用領(lǐng)域就是慣性導(dǎo)航，比如飛機/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用。相關(guān)介紹可以查看《總算明白了，現(xiàn)代戰(zhàn)爭，打的都是傳感器》。 下圖是Silicon Sensing Systems推出的一款慣性組合傳感器（左）和MEMS芯片（右），包括一顆ASIC芯片，一顆MEMS陀螺儀芯片和一顆加速度計芯片，采用陶瓷基板和引線鍵合。 六、MEMS磁傳感器 磁傳感器并非像名字顯示的那樣，只是為了測量磁場強度的器件，而是根據(jù)受外界影響，敏感元件磁性能變化，來檢測外部環(huán)境變化的器件，可檢測的外界因素有磁場、電流、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、光等。 磁傳感器主要分為四大類，霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器和隧道磁阻（TMR）傳感器。 其中，磁阻傳感器是第四代磁傳感技術(shù)，基于納米薄膜技術(shù)和半導(dǎo)體制備工藝，通過探測磁場信息來精確測量電流、位置、方向、轉(zhuǎn)動、角度等物理參數(shù)。 由于MEMS技術(shù)可以將傳統(tǒng)的磁傳感器小型化，因此基于MEMS的磁傳感器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產(chǎn)等優(yōu)點，其制備材料以Si為主，消除了磁傳感器制備必須采用特殊磁性材料及其對被測磁場的影響。 下圖是一個3軸MEMS磁傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖，包含MEMS芯片和控制電路。 下圖是我國慣性傳感器龍頭企業(yè)美新半導(dǎo)體的一款A(yù)MR三軸磁傳感器，尺寸僅有3mmX3mmX1mm。 七、MEMS微流控系統(tǒng) MEMS器件有著廣泛的用途，主要分為傳感器和執(zhí)行器（致動器）兩大類。前面我們提到的都是屬于MEMS傳感器，微流控系統(tǒng)、射頻MEMS、MEMS噴墨打印頭、DMD(數(shù)字微鏡器件)等則屬于執(zhí)行器，是MEMS器件的重要組成。 MEMS微流控（microfluidics ）系統(tǒng)，就是一種流量控制，是精確控制和操控液體流動的裝置，使用幾十到幾百微米尺度的管道，一般針對微量流體，用于生物醫(yī)藥診斷領(lǐng)域的高精度和高敏感度的分離和檢測，具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點。 MEMS微流控是純粹的機械結(jié)構(gòu)，制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。 MEMS微流控芯片，直白點說，就是在一片很小的玻璃流道上進行生物化學反應(yīng)，用芯片進行計算，用傳感器傳遞信號。 下圖是微流控芯片的結(jié)構(gòu)示例，可以看到玻璃管道，微流控芯片又被稱為“芯片實驗室”，在基因測序等許多方面有廣闊應(yīng)用前景，是一種極具前景的生物傳感器。 下圖為流體在微管道中流動、捕捉的動態(tài)過程。 八、射頻MEMS 射頻MEMS器件分為MEMS濾波器、MEMS開關(guān)、MEMS諧振器等。 射頻前端模組主要由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關(guān)等器件組成，其中濾波器是射頻前端中最重要的分立器件，濾波器的工藝就是MEMS，在射頻前端模組中占比超過50%，主要由村田制作所等國外公司生產(chǎn)。 因為沒有適用的國產(chǎn)5G MEMS濾波器，因此華為手機只能用4G，也是這個原因，可見MEMS濾波器的重要性。相關(guān)介紹可查看《華為也被卡住？錯過了芯片，中國千萬別再錯過MEMS了！》。 濾波器（SAW、BAW、FBAR等），負責接收通道的射頻信號濾波，將接收的多種射頻信號中特定頻率的信號輸出，將其他頻率信號濾除。以SAW聲表面波為例，通過電磁信號-聲波-電磁信號的兩次轉(zhuǎn)換，將不受歡迎的頻率信號濾除。 下圖是各種MEMS濾波器的微觀結(jié)構(gòu)、封裝形態(tài)等信息，可以直觀了解各種MEMS濾波器的差別。 射頻開關(guān)（Switch），不是一個單純的開關(guān)，而是一個切換器，主要用于在射頻設(shè)備中對不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號進行切換處理的裝置，實現(xiàn)通道的復(fù)用。 RF MEMS開關(guān)種類繁多，它們可以用不同的機制來驅(qū)動。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅(qū)動常用于射頻微機電系統(tǒng)開關(guān)設(shè)計。MEMS開關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關(guān)閉。 下圖是“懸臂梁” RF MEMS開關(guān)。在這種配置中，固定梁懸掛在基板上，當梁被壓下時，梁上的電極接觸基板上的電極，將開關(guān)置于“開啟”狀態(tài)并接通了電路。 最新一代的RF MEMS開關(guān)大多是電容式器件。電容式開關(guān)使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應(yīng)用。 振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator），振蕩器是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的過程，用來產(chǎn)生一定頻率的交流信號，屬于有源器件。諧振器是電路對一定頻率的信號進行諧振，主要是用來篩選出某一頻率，屬于無源器件。 下圖是MEMS諧振器與傳統(tǒng)石英晶振的對比，MEMS諧振器具有更高的穩(wěn)定性、可靠性以及更小的體積。 九、DMD（數(shù)字微鏡器件） DMD（Digital Micromirror Device，數(shù)字微鏡器件）是光學MEMS的重要類別，主要應(yīng)用于DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）領(lǐng)域，即影像的投影。 投影，簡單理解就是各種投影儀，將數(shù)字畫面信號，通過一系列的匯聚、反射，投射到外部的過程。 在投影系統(tǒng)中，DMD芯片是其中的核心部件之一。 DMD技術(shù)通過數(shù)字信息控制數(shù)十萬到上百萬個微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布，每個微鏡可以在二進制0/1數(shù)字信號的控制下做正10度或負10度的角度翻轉(zhuǎn)。 目前DMD芯片全世界只有美國的TI（德州儀器）可以生產(chǎn)。 下圖是DMA芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖，可以點擊放大查看。 下圖是DMD芯片里，每個微鏡的運動情況，而這樣的微鏡，在一個DMD芯片里面數(shù)以百萬計，每一面反射鏡都可以獨立反轉(zhuǎn)運動，正負方向翻轉(zhuǎn)，每秒鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)高達數(shù)萬次。 下圖是DMD芯片每一個微鏡翻轉(zhuǎn)，折射光線的過程，每一片微鏡都可以單獨控制，折射相應(yīng)的光線，從而形成不同的色彩、明暗，每一個微鏡就如同我們電視的每一個像素點。 十、MEMS噴墨打印頭 MEMS噴墨打印頭其實和上文中介紹的MEMS微流控系統(tǒng)是同一類型，均屬于MEMS微流控領(lǐng)域的應(yīng)用，不過不同的是，MEMS微流控系統(tǒng)主要用在生物檢測上，MEMS噴墨打印頭是用在打印機上，控制油墨的噴吐。 簡單點說，噴墨打印頭的作用是擠出墨汁，有的是利用壓電薄膜震動來擠壓墨水，有的是利用加熱氣泡變大，將腔體內(nèi)的墨汁擠出。 有趣的是，以這兩種MEMS噴墨技術(shù)，形成了打印機兩大陣營，以愛普生、Brother為代表的微壓電打印技術(shù)，和使用熱發(fā)泡打印技術(shù)的惠普、佳能等廠商，互為對手。 結(jié)語 本文主要目的是想以動圖、圖片等最直觀的方式，為我們展示主流MEMS傳感器的工作原理，以對各類MEMS傳感器有基本的了解。 受限與篇幅和編者個人能力，并未對各MEMS傳感器的原理有深入講解，如有知識上的錯誤歡迎在傳感器傳感器公眾號本內(nèi)容底下留言討論。 |
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