文 | 步日欣
MEMS（ Micro Electro Mechanical System，微機(jī)電系統(tǒng)），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)，指采用微米甚至納米工藝制造的微型智能化機(jī)電系統(tǒng)。
MEMS是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工藝基礎(chǔ)也是微電子常用的光刻技術(shù)，并融合硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)。
但與微電子產(chǎn)業(yè)不同的是，MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，材料的機(jī)械屬性放在第一位，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。
（更多材料，請回復(fù)MEMS）
既然是微加工，就需要原材料，微雕還需要個(gè)桃核作為藝術(shù)創(chuàng)作的載體呢，MEMS的微機(jī)械加工，也需要支撐材料。
目前主流的MEMS支撐材料（襯底）是硅，當(dāng)然，一些特殊應(yīng)用，也會(huì)用的非硅襯底，比如玻璃、高分子聚合物（塑料）、金屬、紙、砷化鎵等。
為什么硅基會(huì)成為MEMS主流？主要還是因?yàn)槭芪㈦娮赢a(chǎn)業(yè)帶動(dòng)，硅加工技術(shù)擁有相對比較成熟的工藝，且硅本身也擁有良好的機(jī)械性能，擁有極好的強(qiáng)度、硬度、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等。
常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)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。
所謂傳感器，就是從外界獲取物理環(huán)境數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字電信號的器件；所謂執(zhí)行器，就是根據(jù)處理器指令，向外界施加一定行為動(dòng)作的器件。
傳感器和執(zhí)行器，都可以通過MEMS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微型化。
由此可見，MEMS器件并非單純指代傳感器，涵蓋了傳感器和執(zhí)行器。
（1）MEMS壓力傳感器
MEMS壓力傳感器，顧名思義是測量壓力的。
涉及到壓力測量，提到最多的應(yīng)用場景就是胎壓測量，也就是測量輪胎充氣程度。
近幾年，智能手機(jī)中的壓力傳感器也逐漸成為標(biāo)配，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(jì)算海拔高度，同GPS定位信號配合，實(shí)現(xiàn)更為精確的三維定位，對戶外徒步登山愛好者是一個(gè)非常友好的用途。
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(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)變儀來測量這種形變，進(jìn)而計(jì)算受到的壓力。
本圖例展示的是電容式MEMS壓力傳感器原理，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)此可以測算出壓力大小。
（2）MEMS加速度傳感器
MEMS加速度傳感器，顧名思義，是一種能夠測量加速度的MEMS器件。
加速度傳感器最核心的應(yīng)用，是利用加速度來感測運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)，比如消費(fèi)電子中最廣泛的體感檢測，廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動(dòng)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(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，常見的加速度傳感器包括壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。
以諧振式加速度計(jì)為例，原理類似于繃緊的吉他弦，由于繃緊程度不同，彈奏出的聲音頻率也不同。在諧振式加速度計(jì)中，連結(jié)檢測質(zhì)量塊的振梁就充當(dāng)了吉他弦的角色，當(dāng)質(zhì)量塊受慣性力產(chǎn)生加速度時(shí)，振梁的緊繃程度也會(huì)不同，此時(shí)對振梁施加一定的震動(dòng)，并對振梁梳齒進(jìn)行震動(dòng)頻率檢測，進(jìn)而計(jì)算加速度。
（3）MEMS陀螺儀（角速度傳感器）
陀螺儀相對來說復(fù)雜一點(diǎn)，是一種測量角速度的器件，我們先來介紹一下普通的陀螺儀。
要測量角速度，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。利用的屬性就是高速旋轉(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。
動(dòng)物界中穩(wěn)定性最好的就是雞了，所以很多人開玩笑說，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)。
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。
再回到MEMS陀螺儀，與傳統(tǒng)的陀螺儀工作原理有差異，因?yàn)槲⒌窦夹g(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？可以想象一下游樂場的旋轉(zhuǎn)魔盤，人在旋轉(zhuǎn)軸附近最穩(wěn)定，但當(dāng)大圓盤轉(zhuǎn)速增加時(shí)，人就會(huì)自動(dòng)滑向盤邊緣，仿佛被一個(gè)力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速，這個(gè)力就是科里奧利力。
就當(dāng)他是一種特殊的奧利給吧。
所以MEMS陀螺儀的結(jié)構(gòu)，就是一個(gè)在圓盤上的物體塊，被驅(qū)動(dòng)，不停地來回做徑向運(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，通過電容變化來測量科里奧利力。
（4）MEMS慣性組合傳感器
慣性組合傳感器，不是一個(gè)新的器件，而是由加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等組合而成，比如三軸、六軸、九軸等，主要實(shí)現(xiàn)全方位、立體運(yùn)動(dòng)檢測。
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)/導(dǎo)彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應(yīng)用、以及中程導(dǎo)彈制導(dǎo)、慣性GPS導(dǎo)航等制導(dǎo)應(yīng)用。
（5）MEMS微流控系統(tǒng)
前面講到的壓力傳感器、加速度、陀螺儀等，屬于傳感器的范疇，而微流控系統(tǒng)（microfluidics ），則屬于執(zhí)行器。
所謂微流控，是流量控制，是一種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(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。
（6）射頻MEMS（含F(xiàn)BAR）
射頻是一個(gè)和大家息息相關(guān)的領(lǐng)域，只要涉及到無線通信（2345G、Wi-Fi、藍(lán)牙……），就要利用射頻技術(shù)。
因?yàn)樯漕l中核心部件之一是功率放大PA（硅、砷化鎵、氮化鎵器件），因此很多人默認(rèn)為射頻器件屬于半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域。
但實(shí)際上，整個(gè)射頻前端（RFFE）中，MEMS器件占主要比例，包括射頻開關(guān)（Switch）、濾波器（SAW、BAW、FBAR等）、振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator）等。
射頻開關(guān)（Switch），并不是一個(gè)單純的開關(guān)，而是一個(gè)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(jìn)行切換處理的裝置，實(shí)現(xiàn)通道的復(fù)用。
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。
振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator），振蕩器是將直流電能轉(zhuǎn)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(jìn)行諧振，主要是用來篩選出某一頻率，屬于無源器件。
石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件，基本構(gòu)成是從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，在它的兩個(gè)對應(yīng)面上涂敷銀層作為電極。
（7）MEMS硅麥克風(fēng)
麥克風(fēng)大家都知道，快手上的喊麥就是指的麥克風(fēng)，對著麥克風(fēng)歇斯底里的一種亞文化。
而硅麥克風(fēng)指的是利用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(jī)、手機(jī)麥克風(fēng)，才會(huì)實(shí)現(xiàn)如此集成化效果。
麥克風(fēng)原理，不管是傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)（electret microphone），還是目前微型化的硅麥，都是利用的聲電轉(zhuǎn)換。
駐極體麥克風(fēng)的聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜——一片極薄的塑料膜片，經(jīng)過高壓電場駐極后，與金屬背電極之間就形成一個(gè)電容。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。
與傳統(tǒng)的駐極體麥克風(fēng)相比， MEMS麥克風(fēng)具有體積小、功耗低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、產(chǎn)品一致性高等特點(diǎn)，已逐步取代駐極體麥克風(fēng)成為這些消費(fèi)電子產(chǎn)品中麥克風(fēng)的主流器件，實(shí)現(xiàn)語音采集、消除環(huán)境噪音、提高語音指令的辨析度等多種功能。
（8）MEMS噴墨打印頭
MEMS噴墨打印頭跟前面提到過的微流控系統(tǒng)有點(diǎn)兒類似，只不過微流控系統(tǒng)主要講的是微流體的檢測和分析，而MEMS噴墨打印頭實(shí)現(xiàn)的，則是根據(jù)控制器指令，向外噴射墨汁。
總得來說，噴墨打印頭的作用是擠出墨汁，有的是利用壓電薄膜震動(dòng)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。
（9）DMD(數(shù)字微鏡器件)
DMD(Digital Micromirror Device，數(shù)字微鏡器件)，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。
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。這個(gè)方寸之間的小芯片上，密密麻麻地排列著百萬數(shù)量級的微鏡片(精密、微型的反射鏡)矩陣，每一面反射鏡都可以獨(dú)立反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，正負(fù)方向翻轉(zhuǎn)，每秒鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)高達(dá)數(shù)萬次。
每一個(gè)微鏡片控制投影畫面中的一個(gè)像素，借助微鏡裝置的反轉(zhuǎn)，反射需要的光，同時(shí)通過光吸收器吸收不需要的光來實(shí)現(xiàn)影像的投影，形成不同亮度、灰度和對比度的圖像。
（10）熱電堆（Thermopile）
新冠疫情初期，除了口罩之外，另外一類奇貨可居的商品，就是熱電堆傳感器了。價(jià)格飆升10倍有余，微信群里一堆倒?fàn)數(shù)教幵儐栍袥]有貨源。
熱電堆是一種熱釋紅外線傳感器 ，由一系列熱電偶串聯(lián)組成，是一種溫度檢測器件，主要作用是為了實(shí)現(xiàn)無接觸式紅外測溫，比如非接觸式的額溫槍、耳溫槍。
熱電堆紅外傳感器利用塞貝克熱電效應(yīng)（Seebeck effect），由一系列熱電偶串聯(lián)組成，熱電偶兩端由兩種不同材料組成，當(dāng)一端接觸熱端、一端接觸冷端時(shí)，會(huì)在兩種不同材料之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢差，電勢差的大小代表了兩種不同材料之間的溫度差。
（11）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(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。
磁傳感器主要分為四大類，霍爾效應(yīng)（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(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(dòng)、角度等物理參數(shù)。
MEMS技術(shù)可以將傳統(tǒng)的磁傳感器小型化，因此MEMS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)，制備襯底材料以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。
作者簡介：步日欣
創(chuàng)道投資咨詢創(chuàng)始人，北京郵電大學(xué)創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師、經(jīng)管學(xué)院特聘導(dǎo)師、天津市集成電路產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)顧問、北京芯合匯集成電路產(chǎn)業(yè)平臺顧問、威海雙創(chuàng)街創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師。電子工程本科、計(jì)算機(jī)碩士學(xué)位，具有證券從業(yè)資格、基金從業(yè)資格、通過CFA LII考試，先后就職于亞信咨詢、中科院賽新資本、東旭集團(tuán)金控集團(tuán)等，擁有IT研發(fā)、咨詢、投融資十五年以上經(jīng)驗(yàn)，關(guān)注投資領(lǐng)域?yàn)槿斯ぶ悄?、物?lián)網(wǎng)、集成電路、智能制造、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等。
感謝閱讀到最后，
歡迎轉(zhuǎn)載、轉(zhuǎn)發(fā)傳播~
