鬼斧神工的MEMS
10種主流MEMS器件原理全解析
文 | 步日欣
MEMS（ Micro Electro Mechanical System，微機電系統），也叫做微電子機械系統，指采用微米甚至納米工藝制造的微型智能化機電系統。
MEMS是在微電子技術(shù)基礎上發(fā)展起來(lái)的，工藝基礎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械加工等技術(shù)。
但與微電子產(chǎn)業(yè)不同的是，MEMS側重于超精密機械加工，材料的機械屬性放在第一位，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。
（更多材料，請回復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，當然，一些特殊應用，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？主要還是因為受微電子產(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械性能，擁有極好的強度、硬度、熱導率、熱膨脹系數等。
常見(jiàn)的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、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)境數據，并轉化為可處理的數字電信號的器件；所謂執行器，就是根據處理器指令，向外界施加一定行為動(dòng)作的器件。
傳感器和執行器，都可以通過(guò)MEMS技術(shù)來(lái)實(shí)現微型化。
由此可見(jiàn)，MEMS器件并非單純指代傳感器，涵蓋了傳感器和執行器。
（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，提到最多的應用場(chǎng)景就是胎壓測量，也就是測量輪胎充氣程度。
近幾年，智能手機中的壓力傳感器也逐漸成為標配，主要用來(lái)測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實(shí)現更為精確的三維定位，對戶(hù)外徒步登山愛(ài)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(jiǎn)單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì )導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來(lái)測量這種形變，進(jìn)而計算受到的壓力。
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，導致隔板之間的電容變化，據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用，是利用加速度來(lái)感測運動(dòng)和震動(dòng)，比如消費電子中最廣泛的體感檢測，廣泛應用于游戲控制、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，要計算加速度，本質(zhì)上也是計算由于狀態(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。
以諧振式加速度計為例，原理類(lèi)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。在諧振式加速度計中，連結檢測質(zhì)量塊的振梁就充當了吉他弦的角色，當質(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)而計算加速度。
（3）MEMS陀螺儀（角速度傳感器）
陀螺儀相對來(lái)說(shuō)復雜一點(diǎn)，是一種測量角速度的器件，我們先來(lái)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中的陀螺，角動(dòng)量很大，旋轉軸不隨外界運動(dòng)狀態(tài)改變而改變，會(huì )一直穩定指向一個(gè)方向。
動(dòng)物界中穩定性最好的就是雞了，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)。
至于陀螺儀的結構，核心就是一個(gè)呼呼轉不停的轉子，作為其他運動(dòng)物體的靜止錨定物。
再回到MEMS陀螺儀，與傳統的陀螺儀工作原理有差異，因為微雕技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉動(dòng)的立體轉子，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——旋轉物體在有徑向運動(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)的旋轉魔盤(pán)，人在旋轉軸附近最穩定，但當大圓盤(pán)轉速增加時(shí)，人就會(huì )自動(dòng)滑向盤(pán)邊緣，仿佛被一個(gè)力推著(zhù)一樣向沿著(zhù)圓盤(pán)落后的方向漸漸加速，這個(gè)力就是科里奧利力。
就當他是一種特殊的奧利給吧。
所以MEMS陀螺儀的結構，就是一個(gè)在圓盤(pán)上的物體塊，被驅動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運動(dòng)或者震蕩。由于在旋轉狀態(tài)中做徑向運動(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)現全方位、立體運動(dòng)檢測。
慣性傳感器的一個(gè)被廣為熟悉的應用領(lǐng)域就是慣性導航，比如飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用。
（5）MEMS微流控系統
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（microfluidics ），則屬于執行器。
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(jiǎn)便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。
MEMS微流控是純粹的機械結構，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FBAR）
射頻是一個(gè)和大家息息相關(guān)的領(lǐng)域，只要涉及到無(wú)線(xiàn)通信（2345G、Wi-Fi、藍牙……），就要利用射頻技術(shù)。
因為射頻中核心部件之一是功率放大PA（硅、砷化鎵、氮化鎵器件），因此很多人默認為射頻器件屬于半導體集成電路領(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(kāi)關(guān)（Switch）、濾波器（SAW、BAW、FBAR等）、振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator）等。
射頻開(kāi)關(guān)（Switch），并不是一個(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)現通道的復用。
濾波器（SAW、BAW、FBAR等），負責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(guò)電磁信號-聲波-電磁信號的兩次轉換，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變成交流電能的過(guò)程，用來(lái)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(lái)篩選出某一頻率，屬于無(wú)源器件。
石英晶體振蕩器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件，基本構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(zhù)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、手機麥克風(fēng)，才會(huì )實(shí)現如此集成化效果。
麥克風(fēng)原理，不管是傳統的駐極體麥克風(fēng)（electret microphone），還是目前微型化的硅麥，都是利用的聲電轉換。
駐極體麥克風(fēng)的聲電轉換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜——一片極薄的塑料膜片，經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)駐極后，與金屬背電極之間就形成一個(gè)電容。當駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，引起電容兩端的電場(chǎng)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、產(chǎn)品一致性高等特點(diǎn)，已逐步取代駐極體麥克風(fēng)成為這些消費電子產(chǎn)品中麥克風(fēng)的主流器件，實(shí)現語(yǔ)音采集、消除環(huán)境噪音、提高語(yǔ)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(guò)的微流控系統有點(diǎn)兒類(lèi)似，只不過(guò)微流控系統主要講的是微流體的檢測和分析，而MEMS噴墨打印頭實(shí)現的，則是根據控制器指令，向外噴射墨汁。
總得來(lái)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，將腔體內的墨汁擠出。
（9）DMD(數字微鏡器件)
DMD(Digital Micromirror Device，數字微鏡器件)，主要應用于DLP（Digital Light Processing，數字光處理）領(lǐng)域，即影像的投影。
投影，簡(jiǎn)單理解就是各種投影儀，將數字畫(huà)面信號，通過(guò)一系列的匯聚、反射，投射到外部的過(guò)程。
在投影系統中，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(zhù)百萬(wàn)數量級的微鏡片(精密、微型的反射鏡)矩陣，每一面反射鏡都可以獨立反轉運動(dòng)，正負方向翻轉，每秒鐘翻轉次數高達數萬(wàn)次。
每一個(gè)微鏡片控制投影畫(huà)面中的一個(gè)像素，借助微鏡裝置的反轉，反射需要的光，同時(shí)通過(guò)光吸收器吸收不需要的光來(lái)實(shí)現影像的投影，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(lèi)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，微信群里一堆倒爺到處詢(xún)問(wèn)有沒(méi)有貨源。
熱電堆是一種熱釋紅外線(xiàn)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)現無(wú)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（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(chǎng)強度的器件，而是根據受外界影響，敏感元件磁性能變化，來(lái)檢測外部環(huán)境變化的器件，可檢測的外界因素有磁場(chǎng)、電流、應力應變、溫度、光等。
磁傳感器主要分為四大類(lèi)，霍爾效應（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)和半導體制備工藝，通過(guò)探測磁場(chǎng)信息來(lái)精確測量電流、位置、方向、轉動(dòng)、角度等物理參數。
MEMS技術(shù)可以將傳統的磁傳感器小型化，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(chǎng)的影響。
