如果没有充足的国产MEMS传感器芯片，那么国产传感器的崛起也将无从谈起。 MEMS主要采用微电子技术，在微纳米的体积下塑造传感器的机械结构，因此，我们很难直观看到其工作原理。包括许多半导体行业人士甚至传感器业内人士，都不太清楚MEMS里面的原理和构造情况。 本文以最清晰明了的方式，收集了大量动图、图片，直观阐述主流MEMS传感器的工作原理！这些MEMS传感器也是占据最多市场份额的MEMS传感器种类，包括： 什么是MEMS？MEMS传感器基本构成 一、MEMS声学传感器 二、MEMS压力传感器 三、MEMS加速度传感器 四、MEMS陀螺仪传感器 五、MEMS组合惯性传感器 六、MEMS磁传感器 七、MEMS微流控系统 八、射频MEMS 九、DMD（数字微镜器件） 十、MEMS喷墨打印头  MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一，如果半导体微制造被视为第一次微制造革命，MEMS则是第二次革命。通过结合硅基微电子技术和微机械加工技术，MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。 在此需要划重点的是，MEMS是一种制造技术，诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机甚至蒸汽机都是由MEMS制造的。 事实上，MEMS这个词实际上有一定误导，因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而，MEMS又不仅仅是关于机械部件的微型化或用硅制造东西，它是是一种利用批量制造技术设计、创建复杂机械设备和系统及其集成电子设备的范例。再具化一点讲，集成电路的设计是为了利用硅的电学特性，而MEMS则利用硅的机械特性，或者说利用硅的电学和机械特性。  ▲MEMS声学传感器构造图（来自歌尔微招股书） 常见的MEMS器件产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。  根据著名市场调研公司Yole的数据，全球最主流的MEMS器件分别是：MEMS射频器件、压力传感器、惯性组合传感器、声学传感器、加速度传感器、喷墨打印头、微型热辐射传感器、陀螺仪传感器、光学传感器、硅基微流控制器件、热电堆传感器、磁传感器。  因为MEMS的微观特性，我们很难直观了解到各MEMS传感器的工作情况，下面特意搜集大量的动图，可以直观“看”到各主流MEMS传感器的工作原理。 一、MEMS声学传感器 MEMS声学传感器主要指硅麦克风、超声波传感器等，其中，硅麦克风是应用最多的MEMS声学传感器。 硅麦克风是指利用MEMS技术，在硅基上制造的微缩麦克风，迎合目前3C产品小型化和集成化趋势，所以TWS耳机、手机麦克风，才会实现如此集成化效果。  上图是一颗MEMS麦克风的封装构造，由三部分构成，第一部分是MEMS芯片，第二部分是ASIC芯片，第三部分是金属外壳，底部PCB板上有信号端子（上右图黄色方块部分）和接地端子（上右图黄色圆圈部分）。根据信号处理方式的不同，不同信号MEMS麦克风的信号端子数量不同常见的为2~4个（Airpods Pro的麦克风有4个信号端子）。 下图是一颗来自楼氏电子的MEMS芯片，用高精度传感器拍摄的实拍图片，呈正方形，边长1mm。  无论是传统的驻极体麦克风（electret microphone）还是MEMS麦克风，其工作原理都是一样的。  下图是MEMS芯片内部结构，由高精度传感器拍摄，能直观看到，MEMS底层薄膜随声波震动，从而将声压转换为电容、电阻信号，再经过ASIC芯片处理输出为电信号，这就是MEMS麦克风工作的整个流程。  下图为苹果公司AirPods Pro无线蓝牙耳机上的三颗MEMS麦克风实拍图，均是我国MEMS声学传感器龙头企业歌尔微电子供应。  二、MEMS压力传感器 MEMS压力传感器，就是测量压力的，主要分为电容式和电阻式。 随着MEMS压力传感器的出现和普及，智能手机中用压力传感器也越来越多，主要用来测量大气压力。测量大气压的目的，是为了通过不同高度的气压，来计算海拔高度，同GPS定位信号配合，实现更为精确的三维定位，譬如爬楼高度、爬楼梯级数等都可以检测。  下图是一种MEMS电阻式压力传感器的工作动图，由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成，当外力施加时，电压与压力大小成比例变化产生测量值。  下图是一种MEMS电容式压力传感器实物图。  三、MEMS加速度传感器 MEMS加速度传感器利用加速度来感测运动和震动，比如消费电子中最广泛的体感检测，广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、姿态识别等等。 MEMS加速度传感器的原理非常易于理解，那就是高中物理最基础的牛顿第二定律。力是产生加速度的原因，加速度的大小与外力成正比，与物体质量成反比：F=ma。 所以MEMS加速度传感器本质上也是一种压力传感器，要计算加速度，本质上也是计算由于状态的改变，产生的惯性力，常见的加速度传感器包括压阻式，电容式，压电式，谐振式等。  下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部结构图，梳状结构紧密排列。  下图来自博世，显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。  下图来自博世，但物体产生加速度时，带动梳妆结构产生位移，使梳妆结构间电容改变，从而测量出加速度值。  四、MEMS陀螺仪传感器 MEMS陀螺仪又称MEMS角速度传感器，是一种测量角速度传感器，其原理相对来说复杂点。 测量角速度，不是一件容易的事情，必须在运动的物体中，寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。人们发现，高速旋转中的陀螺，角动量很大，旋转轴不随外界运动状态改变而改变，会一直稳定指向一个方向。 陀螺仪能有什么用？最大的用处就是用来保持稳定。动物界中稳定性最好的就是禽类动物，譬如鸡，所以很多人开玩笑说，鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪，不管怎么动它，脑袋就是不动。而用陀螺仪，也可以保持机器的稳定性。  至于陀螺仪的结构，核心就是一个呼呼转不停的转子，作为其他运动物体的静止锚定物。下图，高速旋转的陀螺在一条线上保持平衡，这就是陀螺仪的基本原理。  再回到MEMS陀螺仪，与传统的陀螺仪工作原理有差异，因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子，并不是一件容易的事。 MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。这种力超出了笔者的高中物理水平，怎么描述这种科里奥利力呢？可以想象一下游乐场的旋转魔盘，人在旋转轴附近最稳定，但当大圆盘转速增加时，人就会自动滑向盘边缘，仿佛被一个力推着一样向沿着圆盘落后的方向渐渐加速，这个力就是科里奥利力。  所以MEMS陀螺仪的结构，就是一个在圆盘上的物体块，被驱动，不停地来回做径向运动或者震荡。由于在旋转状态中做径向运动，因此就会产生科里奥利力。MEMS陀螺仪通常是用两个方向的可移动电容板，通过电容变化来测量科里奥利力。 下图是MEMS陀螺仪的工作动图，传感器的外框在旋转运动期间沿相反方向摆动，当物体旋转时，内部梳状结构一部分产生偏转，改变梳状结构间的距离，从而改变电容，测量出转角。  下图是一颗封装好的3轴MEMS陀螺仪，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整个器件尺寸为4mmX4mmX1.1mm。  下图是MEMS芯片围观结构，各种机械结构密密麻麻，像是一个宏伟的建筑。注意看，左上角是一根头发丝。  五、MEMS组合惯性传感器 MEMS组合惯性传感器不是一种新的MEMS传感器类型，而是指加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等的组合，利用各种惯性传感器的特性，可以实现全方位、立体运动的检测。 组合惯性传感器的一个被广为熟悉的应用领域就是惯性导航，比如飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用。相关介绍可以查看《总算明白了，现代战争，打的都是传感器》。  下图是Silicon Sensing Systems推出的一款惯性组合传感器（左）和MEMS芯片（右），包括一颗ASIC芯片，一颗MEMS陀螺仪芯片和一颗加速度计芯片，采用陶瓷基板和引线键合。  六、MEMS磁传感器 磁传感器并非像名字显示的那样，只是为了测量磁场强度的器件，而是根据受外界影响，敏感元件磁性能变化，来检测外部环境变化的器件，可检测的外界因素有磁场、电流、应力应变、温度、光等。 磁传感器主要分为四大类，霍尔效应（Hall Effect）传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和隧道磁阻（TMR）传感器。  由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化，因此基于MEMS的磁传感器具有体积小、性能高、成本低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点，其制备材料以Si为主，消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响。 下图是一个3轴MEMS磁传感器封装结构图，包含MEMS芯片和控制电路。  下图是我国惯性传感器龙头企业美新半导体的一款AMR三轴磁传感器，尺寸仅有3mmX3mmX1mm。  七、MEMS微流控系统 MEMS器件有着广泛的用途，主要分为传感器和执行器（致动器）两大类。前面我们提到的都是属于MEMS传感器，微流控系统、射频MEMS、MEMS喷墨打印头、DMD(数字微镜器件)等则属于执行器，是MEMS器件的重要组成。 MEMS微流控（microfluidics ）系统，就是一种流量控制，是精确控制和操控液体流动的装置，使用几十到几百微米尺度的管道，一般针对微量流体，用于生物医药诊断领域的高精度和高敏感度的分离和检测，具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。 MEMS微流控是纯粹的机械结构，制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。 MEMS微流控芯片，直白点说，就是在一片很小的玻璃流道上进行生物化学反应，用芯片进行计算，用传感器传递信号。 下图是微流控芯片的结构示例，可以看到玻璃管道，微流控芯片又被称为“芯片实验室”，在基因测序等许多方面有广阔应用前景，是一种极具前景的生物传感器。  下图为流体在微管道中流动、捕捉的动态过程。  八、射频MEMS 射频MEMS器件分为MEMS滤波器、MEMS开关、MEMS谐振器等。 射频前端模组主要由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成，其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件，滤波器的工艺就是MEMS，在射频前端模组中占比超过50%，主要由村田制作所等国外公司生产。 因为没有适用的国产5G MEMS滤波器，因此华为手机只能用4G，也是这个原因，可见MEMS滤波器的重要性。相关介绍可查看《华为也被卡住？错过了芯片，中国千万别再错过MEMS了！》。 滤波器（SAW、BAW、FBAR等），负责接收通道的射频信号滤波，将接收的多种射频信号中特定频率的信号输出，将其他频率信号滤除。以SAW声表面波为例，通过电磁信号-声波-电磁信号的两次转换，将不受欢迎的频率信号滤除。  下图是各种MEMS滤波器的微观结构、封装形态等信息，可以直观了解各种MEMS滤波器的差别。  射频开关（Switch），不是一个单纯的开关，而是一个切换器，主要用于在射频设备中对不同方向（接收或发射）、不同频率的信号进行切换处理的装置，实现通道的复用。 RF MEMS开关种类繁多，它们可以用不同的机制来驱动。由于功耗低、尺寸小的特性，静电驱动常用于射频微机电系统开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。 下图是“悬臂梁” RF MEMS开关。在这种配置中，固定梁悬挂在基板上，当梁被压下时，梁上的电极接触基板上的电极，将开关置于“开启”状态并接通了电路。  最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作，非常适合高频率的射频应用。 在操作过程中，力被施加到像桥一样悬在基板上的梁。当梁被该力（例如静电力）拉下时，会接触到基板上的电介质，使信号终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示，其中使用CoventorMP® 3D所建的电容式RF MEMS开关模型处于未变形状态，如图 4 所示。  振荡器/谐振器（Oscillator/Resonator），振荡器是将直流电能转变成交流电能的过程，用来产生一定频率的交流信号，属于有源器件。谐振器是电路对一定频率的信号进行谐振，主要是用来筛选出某一频率，属于无源器件。 下图是MEMS谐振器与传统石英晶振的对比，MEMS谐振器具有更高的稳定性、可靠性以及更小的体积。  九、DMD（数字微镜器件） DMD（Digital Micromirror Device，数字微镜器件）是光学MEMS的重要类别，主要应用于DLP（Digital Light Processing，数字光处理）领域，即影像的投影。  在投影系统中，DMD芯片是其中的核心部件之一。 DMD技术通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜，将不同数量的光线投射出去。每个微镜的面积只有16×16微米，微镜按矩阵行列排布，每个微镜可以在二进制0/1数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。 目前DMD芯片全世界只有美国的TI（德州仪器）可以生产。 下图是DMA芯片的封装结构示意图，可以点击放大查看。  下图是DMD芯片里，每个微镜的运动情况，而这样的微镜，在一个DMD芯片里面数以百万计，每一面反射镜都可以独立反转运动，正负方向翻转，每秒钟翻转次数高达数万次。  下图是DMD芯片每一个微镜翻转，折射光线的过程，每一片微镜都可以单独控制，折射相应的光线，从而形成不同的色彩、明暗，每一个微镜就如同我们电视的每一个像素点。  十、MEMS喷墨打印头 MEMS喷墨打印头其实和上文中介绍的MEMS微流控系统是同一类型，均属于MEMS微流控领域的应用，不过不同的是，MEMS微流控系统主要用在生物检测上，MEMS喷墨打印头是用在打印机上，控制油墨的喷吐。 简单点说，喷墨打印头的作用是挤出墨汁，有的是利用压电薄膜震动来挤压墨水，有的是利用加热气泡变大，将腔体内的墨汁挤出。 有趣的是，以这两种MEMS喷墨技术，形成了打印机两大阵营，以爱普生、Brother为代表的微压电打印技术，和使用热发泡打印技术的惠普、佳能等厂商，互为对手。  结语 本文主要目的是想以动图、图片等最直观的方式，为我们展示主流MEMS传感器的工作原理，以对各类MEMS传感器有基本的了解。 |
