如果你不知道MEMS感測器都用在哪 讀這篇文章就對了

「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。

這麼一個小小卻關鍵的變化，靠的就是窄帶物聯網的「神通」，基於蜂窩的窄帶物聯網（NB-IoT）是物聯網的一個重要分支。隨著各式物聯網（IoT）應用開枝散葉，微機電系統（MEMS）感測器技術也不斷精進。

感測器是物聯網網路架構的基礎設備，居於產業鏈的最底層。我國目前感測器設備大多為進口，依賴大量進口感測設備營造出的繁榮景象只是暫時的，背後的安全隱患難以消除。就像業界當年為克服對進口晶元的依賴而奮起研究「中國芯」一樣，現在感測器產業也亟待一場「中國製造」的洗禮。在我國的感測器短板中，又以MEMS(微機電系統)感測器為最大缺口。

下面隨小編一起來看看，MEMS感測器有哪些應用領域，大家的機會又在哪。

MEMS簡介

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

MEMS感測器主要優點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易於集成等，是微型感測器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械感測器，在各個領域幾乎都有研究，不論是消費電子產品、汽車工業、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。

常見產品有壓力感測器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化感測器。

8英寸矽片上的MEMS晶元（5mm X 5mm）示意圖

從硅原料到矽片過程。矽片上的重複單元可稱為晶元（chip 或die）。

MEMS應用領域詳解

1.通信/移動設備

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）、指紋感測器(Authen Tec的TMDR92)、距離感測器，環境光感測器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風。

iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如採用了4個MEMS麥克風。預計將來高端智能手機將採用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬體也將成為LTE技術亮點部分，將利用MEMS天線開關和數字調諧電容器實現多頻帶技術。

以智能手機為主的移動設備中，應用了大量感測器以增加其智能性，提高用戶體驗。這些感測器並非手機等移動/通信設備獨有，在本文以及後續文章其他地方所介紹的加速度、化學元素、人體感官感測器等可以了解相關信息，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MEMS器件。

通信系統中，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生。

在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業部）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在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益於AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術的巨大進步，AlN FBAR已經被運用在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

(非懸空結構，採用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生反射，從而將能量集中於中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近於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。故意將其設計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導致的諧振，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後等效導納（即阻抗倒數，或者簡單理解為電阻值倒數）。消除雜波後其特性曲線更平滑，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。右圖為封裝好後的FBAR濾波器晶元及米粒對比，該濾波器比米粒還要小上許多。

2.可穿戴/植入式領域

用戶與物聯網

可穿戴/植入式MEMS屬於物聯網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。可穿戴/應該說是最受用戶關注，最感興趣的話題了。

大部分用戶對汽車、印表機內的MEMS無感，這些器件與用戶中間經過了數層中介。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。

該領域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業，我們在此主要討論更受關注的前兩者。消費領域的產品包含之前提到的健身手環，還有智能手錶等。健康領域，即醫療領域，主要包括診斷，治療，監測和護理。

傳統大型醫療器械優勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一台設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標可以通過MEMS技術，利用其體積小的優勢，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，尤其考慮到技術難度，可靠性，人體安全等。

MEMS實現人體感官功能

可穿戴設備中最著名，流行的便數蘋果手錶了，其實蘋果手錶和蘋果手錶結構已經非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）感測器單元等，因此對此不在贅敘。

蘋果手表示意圖

3.投影儀

投影儀所採用的MEMS微鏡如圖所示。其中掃描電鏡圖則是來自於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，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，可以使它們產生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI採用的是靜電驅動方式，即通入電來產生靜電力來傾斜微鏡。

微鏡的SEM示意圖

微鏡結構示意圖

4.MEMS 加速度計

加速度感測器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS，作為一個機械結構為主的技術，可以通過設計使一個部件(圖中橙色部件)相對底座substrate產生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個部件稱為質量塊（proof mass）。質量塊通過錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。

綠色部分固定在底座。當感應到加速度時，質量塊相對底座產生位移。通過一些換能技術可以將位移轉換為電能，如果採用電容式感測結構（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生電流信號供其信號處理單元採樣。通過梳齒結構可以極大地擴大感測面積，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。

MEMS加速度計結構示意圖

MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞後，感測器的proof mass產生相對位移，信號處理單元採集該位移產生的電信號，觸發氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

汽車碰撞後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.列印噴嘴

一種設計精巧的列印噴如下圖所示。兩個不同大小的加熱元件產生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過程為：1，左側加熱元件小於右側加熱元件，通入相同電流時，左側產生更多熱量，形成更大氣泡。左側氣泡首先擴大，從而隔絕左右側液體，保持右側液體高壓力使其噴射。噴射後氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

採用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

HP生產的噴墨式MEMS相關產品

另一種類型MEMS列印噴頭，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/繼電器

MEMS繼電器與開關。其優勢是體積小（密度高，採用微工藝批量製造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統電磁式繼電器，並且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產品可靠性。

其尺寸微小，接近於固態開關，而電路通斷採用與機械接觸（也有部分產品採用其他通斷方式），其優勢劣勢基本上介於固態開關與傳統機械開關之間。MEMS繼電器與開關一般含有一個可移動懸臂樑，主要採用靜電致動原理，當提高觸點兩端電壓時，吸引力增加，引起懸臂樑向另一個觸電移動，當移動至總行程的1/3時，開關將自動吸合（稱之為pull in現象）。

MEMS開關斷合示意圖

再貼上幾張實物圖片，與示意圖並非完全一致，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器件由於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）

NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電系統）與MEMS類似，主要區別在於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)，比MEMS更高的表面體積比可以提高表面感測器的敏感程度,(表面效應)，且具有利用量子效應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的二維懸臂樑（2D cantilever array）。該器件採用表面微加工技術加工而成（MEMS中採用應用較多的有體加工技術，當然MEMS也採用了不少表面微加工技術，關於微加工技術將會在之後的專題進行介紹）。

該器件設計用來進行超高密度，快速數據存儲，基於熱機械讀寫技術（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質。該數據存儲技術來源於AFM(原子力顯微鏡)技術，相比磁存儲技術，基於AFM的存儲技術具有更大潛力。

快速熱機械寫入技術（Fast thermomechanical writing）基於以下概念，『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。加熱時通過一個位於針尖下方的阻性平台實現。

對於『讀』，施加一個固定小電流，溫度將會被加熱平台和存儲介質的距離調製，然後通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。

IBM 二維懸臂樑NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小於20nm

快速熱機械寫入技術示意圖

小結

物聯網無疑是MEMS廠商心中最大的一個「夢」，無處不在的終端感測器讓MEMS存在感劇增，與NB-IoT等新興的低功耗無線協議結合在一起，更得以實現更大範圍內的數據收集、分析和運營，定義出新的商業價值， 預計2020年的物聯網設備會超過500億台。中國未來的MEMS感測器能否實現中國製造，就看你們的了。

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