滴一聲，手機掃一掃，車(chē)鎖自動(dòng)打開(kāi)，隨著(zhù)共享單車(chē)在各大城市的站穩腳跟，這樣的場(chǎng)景已愈來(lái)愈被大家熟悉。不過(guò)，較少人會(huì )注意到，有的共享單車(chē)開(kāi)鎖速度比以前快了，使用者等待的時(shí)間正在變短。
這么一個(gè)小小卻關(guān)鍵的變化，靠的就是窄帶物聯(lián)網(wǎng)的神通，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要分支。隨著(zhù)各式物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應用開(kāi)枝散葉，微機電系統（MEMS）傳感器技術(shù)也不斷精進(jìn)。
傳感器是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )架構的基礎設備，居于產(chǎn)業(yè)鏈的最底層。我國目前傳感器設備大多為進(jìn)口，依賴(lài)大量進(jìn)口傳感設備營(yíng)造出的繁榮景象只是暫時(shí)的，背后的安全隱患難以消除。就像業(yè)界當年為克服對進(jìn)口芯片的依賴(lài)而奮起研究中國芯一樣，現在傳感器產(chǎn)業(yè)也亟待一場(chǎng)中國制造的洗禮。在我國的傳感器短板中，又以MEMS(微機電系統)傳感器為最大缺口。
下面隨小編一起來(lái)看看，MEMS傳感器有哪些應用領(lǐng)域，大家的機會(huì )又在哪。
MEMS簡(jiǎn)介
雖然大部分人對于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(shí)MEMS在我們生產(chǎn)，甚至生活中早已無(wú)處不在了，智能手機，健身手環(huán)、打印機、汽車(chē)、無(wú)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(chǎn)品都應用了MEMS器件。
MEMS傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領(lǐng)域。
常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。
從硅原料到硅片過(guò)程。硅片上的重復單元可稱(chēng)為芯片（chip 或die）。
MEMS應用領(lǐng)域詳解
1.通信/移動(dòng)設備
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(pán)（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器，環(huán)境光傳感器(來(lái)自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風(fēng)。
iphone 6s與之類(lèi)似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預計將來(lái)高端智能手機將采用數十個(gè)MEMS器件以實(shí)現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為L(cháng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和數字調諧電容器實(shí)現多頻帶技術(shù)。
以智能手機為主的移動(dòng)設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶(hù)體驗。這些傳感器并非手機等移動(dòng)/通信設備獨有，在本文以及后續文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)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(guān)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(shù)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(kāi)頻率的產(chǎn)生。
在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業(yè)部）賣(mài)的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時(shí)間天津大學(xué)在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于A(yíng)lN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)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(guò)固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。
2.可穿戴/植入式領(lǐng)域
用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)
可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過(guò)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(hù)提供信息?？纱┐?應該說(shuō)是最受用戶(hù)關(guān)注，最感興趣的話(huà)題了。
大部分用戶(hù)對汽車(chē)、打印機內的MEMS無(wú)感，這些器件與用戶(hù)中間經(jīng)過(guò)了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶(hù)接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶(hù)喜愛(ài)，例子可見(jiàn)Fitbit等健身手環(huán)。
該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業(yè)，我們在此主要討論更受關(guān)注的前兩者。消費領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監測和護理。
傳統大型醫療器械優(yōu)勢明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標可以通過(guò)MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)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(gè)人認為，MEMS醫療前景廣闊，不過(guò)離成熟運用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。
MEMS實(shí)現人體感官功能
可穿戴設備中最著(zhù)名，流行的便數蘋(píng)果手表了，其實(shí)蘋(píng)果手表和蘋(píng)果手表結構已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對此不在贅敘。
3.投影儀
投影儀所采用的MEMS微鏡如圖所示。其中掃描電鏡圖則是來(lái)自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。
每個(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過(guò)改變外部激勵從而控制同一個(gè)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(xiàn)向特定角度反射。
大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實(shí)現，一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹，當不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅動(dòng)方式，即通入電來(lái)產(chǎn)生靜電力來(lái)傾斜微鏡。
4.MEMS 加速度計
加速度傳感器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS，作為一個(gè)機械結構為主的技術(shù)，可以通過(guò)設計使一個(gè)部件(圖中橙色部件)相對底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個(gè)部件稱(chēng)為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過(guò)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(shí)，質(zhì)量塊相對底座產(chǎn)生位移。通過(guò)一些換能技術(shù)可以將位移轉換為電能，如果采用電容式傳感結構（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(chǎn)生電流信號供其信號處理單元采樣。通過(guò)梳齒結構可以極大地擴大傳感面積，提高測量精度，降低信號處理難度。加速度計還可以通過(guò)壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現。
汽車(chē)碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對位移，信號處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號，觸發(fā)氣囊。更直觀(guān)的效果可以觀(guān)看視頻。
5.打印噴嘴
一種設計精巧的打印噴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過(guò)程為：1，左側加熱元件小于右側加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側產(chǎn)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。噴射后氣泡破裂，液體重新填充該腔體。
HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品
另一種類(lèi)型MEMS打印噴頭，也是通過(guò)加熱，氣泡擴大將墨水擠出：
6.開(kāi)關(guān)/繼電器
MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)。其優(yōu)勢是體積?。芏雀?，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。
其尺寸微小，接近于固態(tài)開(kāi)關(guān)，而電路通斷采用與機械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢劣勢基本上介于固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統機械開(kāi)關(guān)之間。MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁，主要采用靜電致動(dòng)原理，當提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí)，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng)，當移動(dòng)至總行程的1/3時(shí)，開(kāi)關(guān)將自動(dòng)吸合（稱(chēng)之為pull in現象）。
生物類(lèi)實(shí)驗
MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對其進(jìn)行操作。
7.NEMS（納機電系統）
NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電系統）與MEMS類(lèi)似，主要區別在于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傳感器的敏感程度,(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(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖所示。器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應用較多的有體加工技術(shù)，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì )在之后的專(zhuān)題進(jìn)行介紹）。
該器件設計用來(lái)進(jìn)行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫(xiě)技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質(zhì)。該數據存儲技術(shù)來(lái)源于A(yíng)FM(原子力顯微鏡)技術(shù)，相比磁存儲技術(shù)，基于A(yíng)FM的存儲技術(shù)具有更大潛力。
快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念，‘寫(xiě)入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺實(shí)現。
對于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì )被加熱平臺和存儲介質(zhì)的距離調制，然后通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)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。
小結
物聯(lián)網(wǎng)無(wú)疑是MEMS廠(chǎng)商心中最大的一個(gè)「夢(mèng)」，無(wú)處不在的終端傳感器讓MEMS存在感劇增，與NB-IoT等新興的低功耗無(wú)線(xiàn)協(xié)議結合在一起，更得以實(shí)現更大范圍內的數據收集、分析和運營(yíng)，定義出新的商業(yè)價(jià)值， 預計2020年的物聯(lián)網(wǎng)設備會(huì )超過(guò)500億臺。中國未來(lái)的MEMS傳感器能否實(shí)現中國制造，就看你們的了。
