MEMS传感器虽已风靡全球，但革命才刚刚开始……

　　最近10年，随着消费电子，尤其是智能手机和穿戴电子的发展，使MEMS传感器真正的在全球火热起来，大量的应用涌现，MEMS传感器真正“飞入寻常百姓家”。

　　MEMS全称MicroElectromechanical System,微机电系统。MEMS最初大量用于汽车安全气囊，而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域，随着MEMS技术的进一步发展，以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛，消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。例如，最近火爆的做胃镜的无痛小胶囊，5G路灯，骨传感耳机，智能家居中洗衣机与晾衣架之间的智能系统，电梯维护等等。

　　现在，我们已经接受了低成本，高性能微机电系统（MEMS）传感器的可用性，但并非总是如此。

　　从首个大众市场的MEMS传感器开始

　　MEMS的完整市场始于1991年，当时ADI公司在模拟，固态物理学，工艺技术，封装等许多领域进行了约十年的艰苦技术战后，终在1991年宣布推出（现已淘汰）ADXL50单轴加速度计，并在1993年实现量产。　　

　　ADXL50单轴加速度计尺寸为5毫米（mm）×5毫米，在当时属于一种破坏性创新，它可用于单个非常特殊的应用：触发刚刚引入但未强制使用的汽车安全气囊。全模拟ADXL50是首个大众市场MEMS加速度计，它提供了一个经过全面处理的模拟输出，可以将其数字化或由比较器电路直接使用。

　　在MEMS传感器问世之前，大多数安全气囊是由Allen K. Breed在1967年开发的传感器触发的——碰撞减速会导致球与固定磁铁分离，并触发一个小的电气开关，该电气开关又关闭了一个电路，然后点燃了安全气囊中的化学物质。

　　相较于Allen K. Breed的传感器，首款MEMS传感器体积更小，价格更便宜且易于包装，但更重要的是，它将加速度感测从是/否场景更改为传感器可以提供感测值模拟流的场景。让实际的加速度波形成为触发算法的一部分。

　　尽管ADLX50到1999年已经过时，被更先进的MEMS单元所取代，但它的广泛影响显而易见。之后MEMS传感器发展不仅实现了高可靠性的传感器自校准功能（对于大多数传感器而言至关重要）；还增加了内部信号调理，模数转换器（ADC），微控制器接口和其他易于使用的功能。

　　很快，供应商开始提供两轴甚至三轴加速度计，首先是微型模块，然后是单片设备。然后，诸如真实运动感测甚至导航之类的应用变得可行（基本物理学：积分加速度确定速度；积分速度确定位移）。

　　不久后，这些MEMS设备又增加了振动式MEMS音叉，并成为陀螺仪和全惯性测量单元（IMU），在许多情况下，它们可以代替指导宇航员使用的大型IMU（> 100磅，> 200瓦），基于MEMS传感器的IMU可小巧得多。微型IMU可用于以前无法接触的加速/定位应用，也可作为无人机的制导核心。

　　首个走入大众市场的MEMS传感器是加速计，并在之后的一段发展时间里，大家似乎都把MEMS传感器聚焦在加速计的应用中。但事实上，目前MEMS器件已用于许多与加速度无关的应用。

　　例如，德州仪器（TI）在数字光处理（DLP）IC中通过微镜率先开发了转向灯，最初瞄准的是大屏幕显示器和微型投影仪。它的DLP6500具有1080p（1920×1080）阵列，具有超过200万个微镜，可用作空间光调制器（SLM），以控制入射光的幅度，方向和/或相位。

　　此外，TI还提出将汽车的前大灯对准方向盘。它的DLP5531是基于MEMS的电子转向设备，无需齿轮，电动机和轴承，并具有完全的可编程性，并且每个前灯的高分辨率可寻址像素超过一百万。

　　对于非光学RF世界，ADI公司提供四极单掷（4PST）MEMS悬臂开关ADGM1004，该开关可处理带宽为DC至13吉赫兹（GHz）的RF信号。借助其带有金属尖端的双向接触开关，在电路中使用它可以将RF信号路由到四个输出端口之一，或者选择四个输入信号之一进行输出。这些开关在RF信号链上的许多点或测试阵列和矩阵中得到广泛使用。

ADI公司扩展了MEMS技术的基础，创建了一种悬臂结构，该悬臂结构为4PST RF开关提供了金属对金属触点闭合，带宽为DC至13 GHz

　　MEMS传感器“飞入寻常百姓家”

　　目前，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作，已研制出包括微型压力传感器、加速度传感器、微喷墨打印头、数字微镜显示器在内的几百种产品，其中MEMS传感器占相当大的比例。

　　作为获取信息的关键入口，MEMS传感器已在汽车、消费电子、航空航天、生物医学等领域中得到了广泛的应用。而随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。

　　汽车领域

　　在20世纪90年代，MEMS首先在汽车工业开始应用，汽车电子被认为是MEMS传感器第一波应用高潮的推动者。

　　受益于汽车行业安全规定及信息化、智能化浪潮，MEMS传感器在汽车领域得到飞速发展，其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统、电子车身稳定程序、电控悬挂、电动手刹、斜坡起动辅助、胎压监控、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等。

　　根据相关调研数据，目前平均每辆汽车包含10-30个MEMS传感器，而在高档汽车中大约会采用30甚至上百个MEMS传感器。

　　消费电子

　　随着消费电子的大发展及产品创新不断涌现，该领域已经取代汽车成为MEMS最大的应用市场。

　　MEMS传感器在消费电子产品中可用于运动/坠落检测、导航数据补偿、游戏/人机界面交互、电源管理、GPS增强/盲区消除、速度/距离计数等，应用较多的品类为MEMS麦克风、3D加速器、MEMS 射频组件、GPS陀螺仪、小型燃料电池与生化芯片等。多种MEMS传感器的综合应用可增加电子设备的娱乐性及智能性，改善交互性能，大大提升了用户体验。

　　在手机拍照功能上，MEMS更是发挥着重要的作用。在MEMS Drive出现之前，手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术)，受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术：多轴防抖，则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动，但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷，一直无法在手机上应用。

　　凭着微机电在体积和功耗上的突破，最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达，带动图像传感器在三个旋转轴移动。MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动，依靠精密算法，计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完，你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。

　　航空航天

　　MEMS在航空航天领域主要有状态传感器和环境传感器之分。状态传感器主要针对飞机姿态、燃料用量、生命活动、各种活动机件的即时位置等进行监测。环境传感器主要针对温湿度、氧气浓度、流量大小等方面进行测量。通过提供有关航天器的工作信息，MEMS传感器起到故障诊断、提供决策依据、保障正常飞行的作用。

　　生物医疗

　　随着体外诊断、药物研究、病患监测、给药方式以及植入式医疗器械等领域发展，医疗设备需要迅速提高性能、降低成本、缩小尺寸。MEMS技术使医疗设备可以做到微型化，医疗检测、诊断、手术和治疗过程可以更加便捷、精准，甚至无痛。

　　MEMS压力传感器可以检测包括血压、眼内压、颅内压、子宫内压等在内的人体器官压力水平。MEMS惯性器件最主要用于心脏病治疗设备。MEMS图像传感器普遍应用于包括CT扫描、内窥镜在内的医学成像设备中。MEMS技术在传感和执行功能上的优势，使其在医疗健康行业的应用广泛增长。

　　此外，MEMS技术在国防、工业、能源及环保等领域也有广泛应用，为各行各业提供自动化、智能化的数据接口，赋能智能社会。根据相关市场调研数据，全球MEMS市场结构中消费电子领域占比最高，增长空间最大的是生物医疗领域。

　　MEMS的创新革命才刚刚开始

　　从应用范围来看，MEMS足够广，足够被全球认可，但并不会止步于此。

　　例如，大学研究团队使用MEMS技术作为构建无法制造的设备的独特基础。该芯片上的国际方案加速器（AChIP），是一个世界性的项目，试图开发出能够产生飞秒到阿秒的电子加速器。基于硅的电子加速器的电子脉冲具有高达1兆电子伏特（MeV）的能量，并通过硅芯片完成，但其目前所需的结构长达一英里。

　　达姆施塔特工业大学加速器物理小组的工程师描述了他们如何创建微小的MEMS通道和新的电子束聚焦方法，以替代传统的电磁聚焦方法，但这种方法太弱了。

　　硅制双柱结构使用基于激光的光学相位控制来聚焦电子的加速和减速区域。（图片来源：达姆施塔特工业大学）

　　另一个创新的MEMS项目针对物联网（IoT）的世界。东北大学的一个团队开发了一种基于MEMS的开关，该开关在处于休眠待机模式时消耗零功率，但是在撞击红外（IR）光时会“唤醒”。该团队的等离激元增强型微机械光电开关（PMP）通过在定义的光谱带内转换极少量的光子能来激活MEMS机制，从而实现了这一目标。除去激活的IR能量后，开关会自行关闭。

PMP的每个悬臂包括一个头部，一对用于致动的热敏双材料支脚，一对外部的用于温度和应力补偿的相同双材料支脚，以及一对连接内部和外部的隔热链腿（a）。入射在四个PMP上的入射光束的概念图，每个PMP都“调谐”到不同的红外辐射带（b）。实际制造的PMP开关“机理”的伪彩色扫描电子显微镜图像，具有等离激元吸收体，碗状接触尖端以及带有自对准Al和SiO2层的双材料腿末端的高倍放大图（c ）。（图片来源：东北大学/自然纳米技术）

　　对于MEMS，早前Maxim公司总裁Vijay Ullal曾表示MEMS是下一场技术革命：

　　“MEMS最有趣的地方在于，随着200多年前的工业革命开始将能源转化为动力起，它就一直是这个革命的其中一部份。随后的重大变革分别是运算科技，以及晶体管的发明。而第三次重要的机器革命则与传感器有关。MEMS不仅是一种全新的发明，它还将实现人类社会的第三次重大变革。任何一家半导体公司现在都必须做MEMS,否则很可能被踢出这个产业。”

　　从过去的历史来看，我们曾经使用相当复杂的生产制程来生产少量的MEMS产品。但这种方式显然已经产生变化，目前电子产业已经相当成功地降低了成本，生产制程日趋成熟，而MEMS一向存在的良率问题也正步入轨道，几乎接近于传统半导体制程的指标了。

　　未来，MEMS技术的发展有可能会像微电子一样，对科学技术和人类生活产生革命性的影响。

　　任何技术在被采用前，都会历经一段学习曲线过程。过去仅根据价格高低来购买MEMS传感器，而今，却逐渐发现并不是所有的组件都做得一样，传感组件的功能和精密度大有不同。随着时间的演进、市场的成熟和产品组合更为丰富，这一领域将分割为一个超低成本市场和其它多个细分市场。

　　传感器方面，传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化，它几大趋势MEMS都参与其中。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来MEMS传感器将备受世界各国的重视。

　　生物方面，生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

　　光学方面，随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面：一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀；二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

　　纳米技术方面，MEMS结合纳米技术，将会实现真正的微型传感器并开发新应用，尽管这一进展可能就得花上十年的时间。再过个10年至15年后，在实验室中所看到的自组装结构将会采用真正的微型传感器，它们几乎完全不需要任何动力就能运作。

　　结语：

　　基于MEMS技术开发的，用于安全气囊触发的加速度传感器，已经发展了很长的一段时间，且经过扩展和改进后得以支持各种应用，包括通过微镜和基于接触的RF开关进行光束转向。同时，领先的大学研究正在将MEMS进一步带入平凡和深奥的科学环境，但如果受限于当前的MEMS技术和MEMS传感器，那么我们将会错过一场因MEMS引发的技术革命。未来MEMS传感器市场竞争非常激烈，尤其是在智能手机的应用方面，对于企业来说，创新是保证公司今后可持续发展的唯一动力。