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，所以TWS耳機、手機麥克風(fēng)，才會(huì )實(shí)現如此集成化效果。

MEMS傳感器由上下兩層構成一個(gè)電容器，上層為孔洞結構（下圖黃色/綠色部分）術(shù)語(yǔ)為背板，下層為密閉結構，術(shù)語(yǔ)為振膜。當聲音通過(guò)進(jìn)音孔傳遞到傳感器時(shí)，聲壓會(huì )導致兩層振膜震動(dòng)，從而導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轉變?yōu)榱穗娦盘枴?/span>

二、MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器，就是測量壓力的，主要分為電容式和電阻式。

隨著(zhù)MEMS壓力傳感器的出現和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來(lái)越多，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，譬如爬樓高度、爬樓梯級數等都可以檢測。

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。

下圖是一種電容式MEMS壓力傳感器的結構圖，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。

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構組成，當外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。

三、MEMS加速度傳感器

MEMS加速度傳感器利用加速度來(lái)感測運動(dòng)和震動(dòng)，比如消費電子中泛的體感檢測，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。

其中，電容式硅微加速度計由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應性強，是目前技術(shù)尤為成熟、應用尤為廣泛的MEMS加速度計。隨著(zhù)MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計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。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動(dòng)速度(或加速度)，還可以進(jìn)一步測出壓力。

下圖是3軸MEMS加速度傳感器的封裝結構，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結構上是分開(kāi)設計的。

下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內部結構圖，梳狀結構緊密排列。

下圖來(lái)自博世，顯示了微觀(guān)轉態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結構。

四、MEMS陀螺儀傳感器

MEMS陀螺儀又稱(chēng)MEMS角速度傳感器，是一種測量角速度傳感器，其原理相對來(lái)說(shuō)復雜點(diǎn)。

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。人們發(fā)現，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。

陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來(lái)保持穩定。動(dòng)物界中穩定性就是禽類(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，也可以保持機器的穩定性。

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。下圖，高速旋轉的陀螺在一條線(xiàn)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，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。

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。

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)現立體運動(dòng)的檢測。

組合慣性傳感器的一個(gè)被廣為熟悉的應用領(lǐng)域就是慣性導航，比如飛機飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程制導、慣性GPS導航等制導應用。相關(guān)介紹可以查看《總算明白了，現代戰爭，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。

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。

由于MEMS技術(shù)可以將傳統的磁傳感器小型化，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被測磁場(chǎng)的影響。

七、MEMS微流控系統

MEMS器件有著(zhù)廣泛的用途，主要分為傳感器和執行器（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、射頻MEMS、MEMS噴墨打印頭、DMD(數字微鏡器件)等則屬于執行器，是MEMS器件的重要組成。

MEMS微流控（microfluidics ）系統，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。

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，用芯片進(jìn)行計算，用傳感器傳遞信號。

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外公司生產(chǎn)。

因為沒(méi)有適用的國產(chǎn)5G MEMS濾波器，因此華為手機只能用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。

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。

RF MEMS開(kāi)關(guān)種類(lèi)繁多，它們可以用不同的機制來(lái)驅動(dòng)。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅動(dòng)常用于射頻微機電系統開(kāi)關(guān)設計。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用。

九、DMD（數字微鏡器件）

DMD（Digital Micromirror Device，數字微鏡器件）是光學(xué)MEMS的重要類(lèi)別，主要應用于DLP（Digital Light Processing，數字光處理）領(lǐng)域，即影像的投影。

在投影系統中，DMD芯片是其中的核心部件之一。

DMD技術(shù)通過(guò)數字信息控制數十萬(wàn)到上百萬(wàn)個(gè)微小的反射鏡，將不同數量的光線(xiàn)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數字信號的控制下做正10度或負10度的角度翻轉。

十、MEMS噴墨打印頭

MEMS噴墨打印頭其實(shí)和上文中介紹的MEMS微流控系統是同一類(lèi)型，均屬于MEMS微流控領(lǐng)域的應用，不過(guò)不同的是，MEMS微流控系統主要用在生物檢測上，MEMS噴墨打印頭是用在打印機上，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(chǎng)商，互為對手。

結語(yǔ)

本文主要目的是想以動(dòng)圖、圖片等最直觀(guān)的方式，為我們展示主流MEMS傳感器的工作原理，以對各類(lèi)MEMS傳感器有基本的了解。