MEMS技能是当今最炙手可热的传感器制造技能，也是传感器小型化、智能化、低能耗的主要推动力，MEMS技能促进了传感器的极大发展，如果没有MEMS技能，传感器的未来将黯淡无光。
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MEMS紧张采取微电子技能，在微纳米的体积下塑造传感器的机器构造，因此，我们很难直不雅观看到其事情事理，很多行业内外人士也很难知道各种MEMS智能传感器的事情办法。
本文以最清晰明了的办法，网络了大量MEMS构造图、微不雅观运动事理动图，直不雅观阐述主流MEMS传感器的事情事理！
推举想要理解MEMS智能传感器的伙伴阅读！
文中包括10大主流MEMS智能包括：
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
什么是MEMS？MEMS传感器基本构成
MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的缩写，中文名称是微机电系统。MEMS芯片简而言之，便是用半导体技能在硅片上制造电子机器系统，再形象一点说便是做一个微米纳米级的机器系统，这个机器系统可以把外界的物理、化学旗子暗记转换成电旗子暗记。这类芯片做出来可以干嘛？最常用的是承担传感功能。
在全体大的信息系统里有点类似于人的感官系统，例如MEMS麦克风芯片相称于人的耳朵，可以感知声音；MEMS扬声器芯片相称于人的嘴巴，可以发生发火声音；MEMS加速度计、陀螺仪、磁传感器芯片相称于人的小脑，可以感知方向和速率；MEMS压力芯片相称于人的皮肤，可以感知压力；MEMS化学传感器相称于人的鼻腔，可以感知味道和温湿度。没有MEMS芯片的人工智能和万物互联，就相称于没有感官器官的人。
下图是来自日本丰桥技能科学大学，通过高精度传感器拍摄的微米级MEMS机器构造运动情形，可以很直不雅观看到MEMS具有常规的机器系统构造，但是尺寸做到了微米级乃至纳米级。
MEMS被认为是21世纪最有出息的技能之一，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能和微机器加工技能，MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。
在此须要划重点的是，MEMS是一种制造技能，诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机乃至蒸汽机都是由MEMS制造的。
事实上，MEMS这个词实际上有一定误导，由于许多微机器设备在任何意义上都不是机器的。然而，MEMS又不仅仅是关于机器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能设计、创建繁芜机器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则利用硅的机器特性，或者说利用硅的电学和机器特性。
那MEMS传感器又是什么？MEMS传感器便是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片（ASIC芯片）封装在一块后形成的器件。
下图是一张范例的MEMS麦克风内部布局示意图，来自中国MEMS第一大厂歌尔微电子。这是一颗MEMS麦克风，可以看到这颗传感器的紧张器件是一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片，以及与基板、外壳等封装一起，就做成了一颗MEMS传感器。这也是大部分MEMS传感器的根本布局。
MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等旗子暗记变革，ASIC芯片将电容、电阻等旗子暗记变革转化为电旗子暗记，由此实现MEMS传感器的功能——外界旗子暗记转化为电旗子暗记。
▲MEMS声学传感器布局图（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，环球最主流的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、硅基微流掌握器件、热电堆传感器、磁传感器。
由于MEMS的微不雅观特性，我们很难直不雅观理解到各MEMS传感器的事情情形，下面特意搜集大量的动图，可以直不雅观“看”到各主流MEMS传感器的事情事理。
一、MEMS声学传感器
MEMS声学传感器紧张指硅麦克风、超声波传感器等，个中，硅麦克风是运用最多的MEMS声学传感器。
硅麦克风是指利用MEMS技能，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，以是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麦克风的封装布局，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板上有旗子暗记端子（上右图黄色方块部分）和接地端子（上右图黄色圆圈部分）。根据旗子暗记处理办法的不同，不同旗子暗记MEMS麦克风的旗子暗记端子数量不同常见的为2~4个（Airpods Pro的麦克风有4个旗子暗记端子）。
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，其事情事理都是一样的。
MEMS传感器由高下两层构成一个电容器，上层为孔洞构造（下图黄色/绿色部分）术语为背板，下层为密闭构造，术语为振膜。当声音通过进音孔通报到传感器时，声压会导致两层振膜震撼，从而导致振膜和背板之间的间距发生变革，进而使振膜和背板之间的电容发生变革，这样也便是将声压旗子暗记转变为了电旗子暗记。
下图是MEMS芯片内部构造，由高精度传感器拍摄，能直不雅观看到，MEMS底层薄膜随声波震撼，从而将声压转换为电容、电阻旗子暗记，再经由ASIC芯片处理输出为电旗子暗记，这便是MEMS麦克风事情的全体流程
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，便是丈量压力的，紧张分为电容式和电阻式。
随着MEMS压力传感器的涌现和遍及，智好手机中用压力传感器也越来越多，紧张用来丈量大气压力。丈量大气压的目的，是为了通过不同高度的气压，来打算海拔高度，同GPS定位旗子暗记合营，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。
MEMS压力传感器的事理也非常大略，核心构培养是一层薄膜元件，受到压力时变形，形变会导致材料的电性能（电阻、电容）改变。因此可以利用压阻型应变仪来丈量这种形变，进而打算受到的压力。
下图是一种电容式MEMS压力传感器的构造图，当受到压力时，高下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变革，导致隔板之间的电容变革，据此可以测算出压力大小。
下图是一种MEMS电阻式压力传感器的事情动图，由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻构造组成，当外力施加时，电压与压力大小成比例变革产生丈量值。
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撼，比如消费电子中最广泛的体感检测，广泛运用于游戏掌握、手柄振动和扭捏、姿态识别等等。
MEMS加速度传感器的事理非常易于理解，那便是高中物理最根本的牛顿第二定律。力是产生加速度的缘故原由，加速度的大小与外力成正比，与物体质量成反比：F=ma。
以是MEMS加速度传感器实质上也是一种压力传感器，要打算加速度，实质上也是打算由于状态的改变，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。
个中，电容式硅微加速度计由于精度较高、技能成熟、且环境适应性强，是目前技能最为成熟、运用最为广泛的MEMS加速度计。随着MEMS加工能力提升和ASIC电路检测能力提高，电容式MEMS加速度计的精度也在不断提升。
电容式加速度传感器是基于电容事理的极距变革型的电容传感器，个中一个电极是固定的，另一变革电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)浸染下发生位移，使电容量发生变革。这种传感器可以丈量气流(或液流)的振动速率(或加速度)，还可以进一步测出压力。
下图是3轴MEMS加速度传感器的封装构造，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z轴与X-Y轴从构造上是分开设计的。
下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部构造图，梳状构造紧密排列。
下图来自博世，显示了微不雅观转态下MEMS加速度传感器的梳状构造。
下图来自博世，但物体产生加速度时，带动装扮构造产生位移，使装扮构造间电容改变，从而丈量出加速度值。
四、MEMS陀螺仪传感器
MEMS陀螺仪又称MEMS角速率传感器，是一种丈量角速率传感器，其事理相对来说繁芜点。
丈量角速率，不是一件随意马虎的事情，必须在运动的物体中，探求到一个静止不动的锚定物——这个锚定物便是陀螺。人们创造，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，会一贯稳定指向一个方向。
陀螺仪能有什么用？最大的用途便是用来保持稳定。动物界中稳定性最好的便是禽类动物，譬如鸡，以是很多人开玩笑说，鸡的脑袋里肯定装了一个前辈的陀螺仪，不管怎么动它，脑袋便是不动。而用陀螺仪，也可以保持机器的稳定性。
至于陀螺仪的构造，核心便是一个呼呼转一直的转子，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，这便是陀螺仪的基本事理。
再回到MEMS陀螺仪，与传统的陀螺仪事情事理有差异，由于“微雕”技能在硅片衬底上加工出一个可迁徙改变的立体转子，并不是一件随意马虎的事。
MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力事理——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？可以想象一下贱乐场的旋转魔盘，人在旋转轴附近最稳定，但昔时夜圆盘转速增加时，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掉队的方向逐渐加速，这个力便是科里奥利力。
以是MEMS陀螺仪的构造，便是一个在圆盘上的物体块，被驱动，一直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陀螺仪常日是用两个方向的可移动电容板，通过电容变革来丈量科里奥利力。
下图是MEMS陀螺仪的事情动图，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，内部梳状构造一部分产生偏转，改变梳状构造间的间隔，从而改变电容，丈量出转角。
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，全体器件尺寸为4mmX4mmX1.1mm。
下图是MEMS芯片围不雅观构造，各种机器构造密密麻麻，像是一个宏伟的建筑。把稳看，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习的运用领域便是惯性导航，比如飞机/导弹翱翔掌握、姿态掌握、偏航阻尼等掌握运用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导运用。干系先容可以查看《总算明白了，当代战役，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，采取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，只是为了丈量磁场强度的器件，而是根据受外界影响，敏感元件磁性能变革，来检测外部环境变革的器件，可检测的外界成分有磁场、电流、应力应变、温度、光等。
磁传感器紧张分为四大类，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。
个中，磁阻传感器是第四代磁传感技能，基于纳米薄膜技能和半导系统编制备工艺，通过探测磁场信息来精确丈量电流、位置、方向、迁徙改变、角度等物理参数。
由于MEMS技能可以将传统的磁传感器小型化，因此基于MEMS的磁传感用具有体积小、性能高、本钱低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点，其制备材料以Si为主，肃清了磁传感器制备必须采取分外磁性材料及其对被测磁场的影响。
下图是一个3轴MEMS磁传感器封装构造图，包含MEMS芯片和掌握电路。
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器件有着广泛的用场，紧张分为传感器和实行器（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)等则属于实行器，是MEMS器件的主要组成。
MEMS微流控（microfluidics ）系统，便是一种流量掌握，是精确掌握和操控液体流动的装置，利用几十到几百微米尺度的管道，一样平常针对微量流体，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，具有样品花费少、检测速率快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。
MEMS微流控是纯粹的机器构造，制作微流控芯片的紧张材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。
MEMS微流控芯片，直白点说，便是在一片很小的玻璃流道上进行生归天学反应，用芯片进行打算，用传感器通报旗子暗记。
下图是微流控芯片的构造示例，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运用前景，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。
射频前端模组紧张由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成，个中滤波器是射频前端中最主要的分立器件，滤波器的工艺便是MEMS，在射频前端模组中占比超过50%，紧张由村落田制作所等国外公司生产。
由于没有适用的国产5G MEMS滤波器，因此华为手机只能用4G，也是这个缘故原由，可见MEMS滤波器的主要性。干系先容可查看《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），卖力吸收通道的射频旗子暗记滤波，将吸收的多种射频旗子暗记中特定频率的旗子暗记输出，将其他频率旗子暗记滤除。以SAW声表面波为例，通过电磁旗子暗记-声波-电磁旗子暗记的两次转换，将不受欢迎的频率旗子暗记滤除。
下图是各种MEMS滤波器的微不雅观构造、封装形态等信息，可以直不雅观理解各种MEMS滤波器的差别。
射频开关（Switch），不是一个纯挚的开关，而是一个切换器，紧张用于在射频设备中对不同方向（吸收或发射）、不同频率的旗子暗记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开关也可利用惯性力、电磁力、电热力或压电力来掌握打开或关闭。
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，梁上的电极打仗基板上的电极，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。电容式开关利用电容耦合事情，非常适宜高频率的射频运用。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，会打仗到基板上的电介质，使旗子暗记终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示，个中利用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互换电能的过程，用来产生一定频率的互换旗子暗记，属于有源器件。谐振器是电路对一定频率的旗子暗记进行谐振，紧张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比拟，MEMS谐振用具有更高的稳定性、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的主要种别，紧张运用于DLP（Digital Light Processing，数字光处理）领域，即影像的投影。
投影，大略理解便是各种投影仪，将数字画面旗子暗记，通过一系列的汇聚、反射，投射到外部的过程。
在投影系统中，DMD芯片是个中的核心部件之一。
DMD技能通过数字信息掌握数十万到上百万个眇小的反射镜，将不同数量的光芒投射出去。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数字旗子暗记的掌握下做正10度或负10度的角度翻转。
目前DMD芯片全天下只有美国的TI（德州仪器）可以生产。
下图是DMA芯片的封装构造示意图，可以点击放大查看。
下图是DMD芯片里，每个微镜的运动情形，而这样的微镜，在一个DMD芯片里面数以百万计，每一壁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，折射光芒的过程，每一片微镜都可以单独掌握，折射相应的光芒，从而形身分歧的色彩、明暗，每一个微镜就犹如我们电视的每一个像素点。
十、MEMS喷墨打印头
MEMS喷墨打印头实在和上文中先容的MEMS微流控系统是同一类型，均属于MEMS微流控领域的运用，不过不同的是，MEMS微流控系统紧张用在生物检测上，MEMS喷墨打印头是用在打印机上，掌握油墨的喷吐。
大略点说，喷墨打印头的浸染是挤出墨汁，有的是利用压电薄膜震撼来挤压墨水，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喷墨技能，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能，和利用热发泡打印技能的惠普、佳能等厂商，互为对手。
结语
本文紧张目的是想以动图、图片等最直不雅观的办法，为我们展示主流MEMS传感器的事情事理，以对各种MEMS传感器有基本的理解。
受限与篇幅和编者个人能力，并未对各MEMS传感器的事理有深入讲解，如有知识上的缺点欢迎在传感器传感器"大众号本内容底下留言谈论。
