盘点MEMS传感器的前行之路

前言

如今，传感器朝着微型化、低功耗、高性能和智能化的趋势不断发展，伴随着物联网产业的发展，传感器也迎来了新的发展机遇，传感器的类型也是多样化的。MEMS传感器是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域。经过几十年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一，MEMS传感器无疑将会是未来此行业几年的主流。

MEMS传感器发展背景概述

MEMS传感器发展经历了三个阶段：

1990~2000年的汽车电子化浪潮，点燃了MEMS传感器的需求；

2000~2010年的消费电子浪潮，推动MEMS传感器呈现多品类、多功能一体化的发展态势；

2010年至今的物联网及人工智能浪潮，带动了MEMS传感器单品放量、软硬协同化发展。

微型机电系统（MEMS）和传感器（Sensor），正如潮水般涌入人们日常使用的各类电子产品中。在智能手机上，MEMS传感器左右着声音性能、场景切换、手势识别、方向定位等；在汽车上，MEMS传感器借助气囊碰撞传感器、胎压监测系统（TPMS）和车辆稳定性控制以增强车辆的性能；在医疗领域，MEMS传感器使微型胰岛素注射泵成为可能，还使心脏搭桥移植和人工细胞组织成为现实中可实际使用的治疗方式；在可穿戴应用中，MEMS传感器在帮助人们进行运动追踪、心跳速率测量等；在智慧城市建设中，MEMS传感器通过协助监测基础设施的稳定性而实现快速的反馈。

总之，MEMS传感器正日益渗入到车联网、智能家居、智能电网乃至整个物联网应用中，未来将会有更广阔的应用前景!

MEMS传感器的工作原理及特点

一、MEMS传感器的工作原理

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro-ElectroMechanicalSystem)，核心功能是将物理信号转换为电子设备能够识别的电信号，主要用于传感器。微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。你可以把它理解为利用传统的半导体工艺和材料，用微米技术在芯片上制造微型机械，并将其与对应电路集成为一个整体的技术。所以它是以半导体制造技术为基础发展起来的一种先进的制造技术平台。

MEMS技术采用了半导体技术中的光刻、腐蚀、薄膜等一系列的现有技术和材料，因此从制造技术本身来讲，MEMS中基本的制造技术是成熟的。但MEMS更侧重于超精密机械加工，并要涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面也扩大到微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理学的各分支。

MEMS传感器是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

二、MEMS传感器的特点

1.微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

2.以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3.批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5.多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

MEMS传感器的分类

一、传感

传感MEMS技术指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由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，未来将备受世界各国的重视。

二、生物

生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。

生物MEMS系统有微型化、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。

三、光学

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，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。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。

四、射频

射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。

MEMS传感器的种类繁多，分类方法也很多。下面是按照工作原理分类如下：

MEMS传感器的应用领域

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。

医疗领域

MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。而具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。

基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。

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。

消费电子领域

随着消费电子领域大发展及产品创新不断涌现，特别是受益于智能手机和平板电板的快速发展，消费电子已经取代汽车领域成为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。

汽车电子领域

汽车电子产业被认为是MEMS传感器的第一波应用高潮的推动者，MEMS传感器在汽车上应用的快速发展主要是受益于各国政府全面推出汽车安全规定(比如要求所有汽车采用TPMS系统)和汽车智慧化的发展趋势。全球平均每辆汽车包含10个传感器，在高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器，车越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽车上就有70多只MEMS。

MEMS传感器可满足汽车环境苛刻、可靠性高、精度准确、成本低的要求。其应用方向和市场需求包括车辆的防抱死系统(ABS)、电子车身稳定程序(ESP)、电控悬挂(ECS)、电动手刹(EPB)、斜坡起动辅助(HAS)、胎压监控(EPMS)、引擎防抖、车辆倾角计量和车内心跳检测等等。下面主要介绍两种汽车电子上常用的MEMS传感器。

MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。

而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是MEMS微加速度计中的主流产品。

航空航天领域

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。近期事故频出已全球停飞的波音737MAX飞机，故障主要原因之一是迎角传感器产生读数输出错误，导致了系统不能起到严格的保护作用。小小传感器对航空航天安全的重要性可见一斑。

运动追踪系统

在运动员的日常训练中，MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量，对每一个动作进行记录，教练们对结果分析，反复比较，以便提高运动员的成绩。随着MEMS技术的进一步发展，MEMS传感器的价格也会随着降低，这在大众健身房中也可以广泛应用。

在滑雪方面，3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力，除了可提供滑雪板的移动数据外，还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此，安装在冲浪板上的3D运动追踪，可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。

MEMS传感器的未来展望

各大MEMS企业在前期增长略低于预期，反映出半导体行业正在进行温和的调整。但随着人工智能、5G、物联网等新兴产业火热发展，消费电子、智能汽车等市场需求逐步复苏，新产品、新功能、新领域不断拓展，MEMS市场将会在未来实现显著增长！

另外从产业链环节看，国内缺乏对MEMS相关关键技术的自主研发和产业化能力。从企业规模看，2019年我国MEMS传感器制造企业大约有200多家，大多属于初创类中小型企业。从产品结构看，国内MEMS公司在营业规模、技术水平、产品结构等与国外有明显差距，主要产品集中在中低端的传统领域。

尽管我国MEMS传感器厂商面临挑战诸多，但从上游设计、中游制造、下游封测等领域国产替代的空间巨大。中国MEMS发展任重道远，中国应以巨大的市场应用为牵引，不断弥合人才缺口，研判和把握未来趋势，锚定自主创新之路，实现规模化崛起和赶超。

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