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(shì)，所以TWS耳機(jī)、手機(jī)麥克風(fēng)，才會(huì)實(shí)現(xiàn)如此集成化效果。

MEMS傳感器由上下兩層構(gòu)成一個(gè)電容器，上層為孔洞結(jié)構(gòu)（下圖黃色/綠色部分）術(shù)語(yǔ)為背板，下層為密閉結(jié)構(gòu)，術(shù)語(yǔ)為振膜。當(dāng)聲音通過(guò)進(jìn)音孔傳遞到傳感器時(shí)，聲壓會(huì)導(dǎo)致兩層振膜震動(dòng)，從而導(dǎo)致振膜和背板之間的間距發(fā)生變化，進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱穗娦盘?hào)。

二、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(lái)越多，主要用來(lái)測(cè)量大氣壓力。測(cè)量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)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(lái)測(cè)量這種形變，進(jìn)而計(jì)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(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。

三、MEMS加速度傳感器

MEMS加速度傳感器利用加速度來(lái)感測(cè)運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)，比如消費(fèi)電子中泛的體感檢測(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(jiàn)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)尤為成熟、應(yīng)用尤為廣泛的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。

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(gè)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(cè)量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測(cè)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(kāi)設(shè)計(jì)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(lái)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(chēng)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(lái)說(shuō)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(lái)保持穩(wěn)定。動(dòng)物界中穩(wěn)定性就是禽類(lèi)動(dòng)物，譬如雞，所以很多人開(kāi)玩笑說(shuō)，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。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?yàn)?ldquo;微雕”技術(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(lè)場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)魔盤(pán)，人在旋轉(zhuǎn)軸附近，但當(dāng)大圓盤(pán)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，人就會(huì)自動(dòng)滑向盤(pán)邊緣，仿佛被一個(gè)力推著一樣向沿著圓盤(pán)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(pán)上的物體塊，被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)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(guò)電容變化來(lái)測(cè)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(lèi)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(shí)現(xiàn)立體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)。

組合慣性傳感器的一個(gè)被廣為熟悉的應(yīng)用領(lǐng)域就是慣性導(dǎo)航，比如飛機(jī)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(zhēng)，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(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的器件，而是根據(jù)受外界影響，敏感元件磁性能變化，來(lái)檢測(cè)外部環(huán)境變化的器件，可檢測(cè)的外界因素有磁場(chǎng)、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(guò)探測(cè)磁場(chǎng)信息來(lái)精確測(cè)量電流、位置、方向、轉(zhuǎn)動(dòng)、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(diǎn)，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(duì)被測(cè)磁場(chǎng)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(dòng)器）兩大類(lèi)。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(dòng)的裝置，使用幾十到幾百微米尺度的管道，一般針對(duì)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(cè)，具有樣品消耗少、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

MEMS微流控是純粹的機(jī)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(diǎn)說(shuō)，就是在一片很小的玻璃流道上進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，用芯片進(jìn)行計(jì)算，用傳感器傳遞信號(hào)。

八、射頻MEMS

射頻MEMS器件分為MEMS濾波器、MEMS開(kāi)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(kāi)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(guò)50%，主要由村田制作所等國(guó)外公司生產(chǎn)。

因?yàn)闆](méi)有適用的國(guó)產(chǎn)5G MEMS濾波器，因此華為手機(jī)只能用4G，也是這個(gè)原因，可見(jiàn)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(hào)濾波，將接收的多種射頻信號(hào)中特定頻率的信號(hào)輸出，將其他頻率信號(hào)濾除。以SAW聲表面波為例，通過(guò)電磁信號(hào)-聲波-電磁信號(hào)的兩次轉(zhuǎn)換，將不受歡迎的頻率信號(hào)濾除。

射頻開(kāi)關(guān)（Switch），不是一個(gè)單純的開(kāi)關(guān)，而是一個(gè)切換器，主要用于在射頻設(shè)備中對(duì)不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號(hào)進(jìn)行切換處理的裝置，實(shí)現(xiàn)通道的復(fù)用。

RF MEMS開(kāi)關(guān)種類(lèi)繁多，它們可以用不同的機(jī)制來(lái)驅(qū)動(dòng)。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅(qū)動(dòng)常用于射頻微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)。MEMS開(kāi)關(guān)也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來(lái)控制打開(kāi)或關(guān)閉。

下圖是“懸臂梁” RF MEMS開(kāi)關(guān)。在這種配置中，固定梁懸掛在基板上，當(dāng)梁被壓下時(shí)，梁上的電極接觸基板上的電極，將開(kāi)關(guān)置于“開(kāi)啟”狀態(tài)并接通了電路。

最新一代的RF MEMS開(kāi)關(guān)大多是電容式器件。電容式開(kāi)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(lèi)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(guò)數(shù)字信息控制數(shù)十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個(gè)微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布，每個(gè)微鏡可以在二進(jìn)制0/1數(shù)字信號(hào)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(shí)和上文中介紹的MEMS微流控系統(tǒng)是同一類(lèi)型，均屬于MEMS微流控領(lǐng)域的應(yīng)用，不過(guò)不同的是，MEMS微流控系統(tǒng)主要用在生物檢測(cè)上，MEMS噴墨打印頭是用在打印機(jī)上，控制油墨的噴吐。

簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，噴墨打印頭的作用是擠出墨汁，有的是利用壓電薄膜震動(dòng)來(lái)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(jī)兩大陣營(yíng)，以愛(ài)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(duì)手。

結(jié)語(yǔ)

本文主要目的是想以動(dòng)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(duì)各類(lèi)MEMS傳感器有基本的了解。