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技術(shù)文章
MEMS傳感器芯片占傳感器芯片總市場的一半，規(guī)模近百億美元，并且受技術(shù)趨勢和市場需求影響，未來仍有望穩(wěn)定增長，但MEMS傳感器目前國產(chǎn)化率仍極低。
如果沒有充足的國產(chǎn)MEMS傳感器芯片，那么國產(chǎn)傳感器的崛起也將無從談起。
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。包括許多半導(dǎo)體行業(yè)人士甚至傳感器業(yè)內(nèi)人士，都不太清楚MEMS里面的原理和構(gòu)造情況。
本文以最清晰明了的方式，收集了大量動圖、圖片，直觀闡述主流MEMS傳感器的工作原理！這些MEMS傳感器也是占據(jù)最多的MEMS傳感器種類，包括：
什么是MEMS？MEMS傳感器基本構(gòu)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(dǎo)體技術(shù)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(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號。這類芯片做出來可以干嘛？是承擔(dān)傳感功能。
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(xué)特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說利用硅的電學(xué)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。
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。一、MEMS聲學(xué)傳感器
MEMS聲學(xué)傳感器主要指硅麥克風(fēng)、超聲波傳感器等，其中，硅麥克風(fēng)是應(yīng)用最多的MEMS聲學(xué)傳感器。
硅麥克風(fēng)是指利用MEMS技術(shù)，在硅基上制造的微縮麥克風(fēng)，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(fēng)，才會實現(xiàn)如此集成化效果。
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)
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(dāng)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(dāng)外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。
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)尤為成熟、應(yīng)用尤為廣泛的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)。
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，但當(dāng)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。
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)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，比如飛機飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程制導(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》。
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。
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。
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(xué)反應(yīng)，用芯片進行計算，用傳感器傳遞信號。
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。
濾波器（SAW、BAW、FBAR等），負(fù)責(zé)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。
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(dāng)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。
九、DMD（數(shù)字微鏡器件）
DMD（Digital Micromirror Device，數(shù)字微鏡器件）是光學(xué)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。
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(fù)10度的角度翻轉(zhuǎn)。
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。
關(guān)注微信