芯耀
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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域。
MEMS技術是當今最炙手可熱的傳感器制造技術，也是傳感器小型化、智能化、低能耗的重要推動力，MEMS技術促進了傳感器的極大發(fā)展，如果沒有MEMS技術，傳感器的未來將黯淡無光。
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MEMS主要采用微電子技術，在微納米的體積下塑造傳感器的機械結構，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結構圖、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傳感器基本構成
MEMS是
Micro-Electro-MechanicalSystem的縮寫，中文名稱是微機電系統(tǒng)。MEMS芯片簡而言之，就是用半導體技術在硅片上制造電子機械系統(tǒng)，再形象一點說就是做一個微米納米級的機械系統(tǒng)，這個機械系統(tǒng)可以把外界的物理、化學信號轉換成電信號。這類芯片做出來可以干嘛？最常用的是承擔傳感功能。
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科學大學，通過高精度傳感器拍攝的微米級MEMS機械結構運動情況，可以很直觀看到MEMS具有常規(guī)的機械系統(tǒng)結構，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之一，如果半導體微制造被視為第一次微制造革命，MEMS則是第二次革命。通過結合硅基微電子技術和微機械加工技術，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，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，因為許多微機械設備在任何意義上都不是機械的。然而，MEMS又不僅僅是關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設計、創(chuàng)建復雜機械設備和系統(tǒng)及其集成電子設備的范例。再具化一點講，集成電路的設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傳感器的基礎構造。
MEMS芯片來將聲音轉化為電容、電阻等信號變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號變化轉化為電信號，由此實現(xiàn)MEMS傳感器的功能——外界信號轉化為電信號。
▲MEMS聲學傳感器構造圖（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，硅麥克風是應用最多的MEMS聲學傳感器。
硅麥克風是指利用MEMS技術，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麥克風的封裝構造，由三部分構成，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成一個電容器，上層為孔洞結構（下圖黃色/綠色部分）術語為背板，下層為密閉結構，術語為振膜。當聲音通過進音孔傳遞到傳感器時，聲壓會導致兩層振膜震動，從而導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變?yōu)榱穗娦盘枴?/p>
下圖是MEMS芯片內(nèi)部結構，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。
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，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應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壓力傳感器的結構圖，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構組成，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、技術成熟、且環(huán)境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的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構，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結構上是分開設計的。
下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內(nèi)部結構圖，梳狀結構緊密排列。
下圖來自博世，顯示了微觀轉態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結構。
下圖來自博世，但物體產(chǎn)生加速度時，帶動梳妝結構產(chǎn)生位移，使梳妝結構間電容改變，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)，高速旋轉中的陀螺，角動量很大，旋轉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。
至于陀螺儀的結構，核心就是一個呼呼轉不停的轉子，作為其他運動物體的靜止錨定物。下圖，高速旋轉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”技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的立體轉子，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魔盤，人在旋轉軸附近最穩(wěn)定，但當大圓盤轉速增加時，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陀螺儀的結構，就是一個在圓盤上的物體塊，被驅動，不停地來回做徑向運動或者震蕩。由于在旋轉狀態(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運動期間沿相反方向擺動，當物體旋轉時，內(nèi)部梳狀結構一部分產(chǎn)生偏轉，改變梳狀結構間的距離，從而改變電容，測量出轉角。
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芯片圍觀結構，各種機械結構密密麻麻，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用領域就是慣性導航，比如飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用。相關介紹可以查看《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、應力應變、溫度、光等。
磁傳感器主要分為四大類，霍爾效應（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，基于納米薄膜技術和半導體制備工藝，通過探測磁場信息來精確測量電流、位置、方向、轉動、角度等物理參數(shù)。
由于MEMS技術可以將傳統(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磁傳感器封裝結構圖，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)美新半導體的一款AMR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構，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，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構示例，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、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濾波器的微觀結構、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（Switch），不是一個單純的開關，而是一個切換器，主要用于在射頻設備中對不同方向（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)通道的復用。
RF MEMS開關種類繁多，它們可以用不同的機制來驅動。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅動常用于射頻微機電系統(tǒng)開關設計。MEMS開關也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關閉。
下圖是“懸臂梁” RF MEMS開關。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，將開關置于“開啟”狀態(tài)并接通了電路。
最新一代的RF MEMS開關大多是電容式器件。電容式開關使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應用。
在操作過程中，力被施加到像橋一樣懸在基板上的梁。當梁被該力（例如靜電力）拉下時，會接觸到基板上的電介質(zhì)，使信號終止。橋型電容開關的橫截面如圖 3 所示，其中使用CoventorMP? 3D所建的電容式RF MEMS開關模型處于未變形狀態(tài)，如圖 4 所示。
振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator），振蕩器是將直流電能轉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，主要應用于DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）領域，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。
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芯片的封裝結構示意圖，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運動，正負方向翻轉，每秒鐘翻轉次數(shù)高達數(shù)萬次。
下圖是DMD芯片每一個微鏡翻轉，折射光線的過程，每一片微鏡都可以單獨控制，折射相應的光線，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微流控領域的應用，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，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，和使用熱發(fā)泡打印技術的惠普、佳能等廠商，互為對手。
結語
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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