什么是MEMS技術(shù)？

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)使用半導(dǎo)體制造工藝來(lái)生產(chǎn)尺寸范圍從小于一微米到幾毫米的小型化機(jī)械和機(jī)電元件。MEMS設(shè)備可以從沒(méi)有運(yùn)動(dòng)元件的相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)到具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)元件的復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。

　　微機(jī)電系統(tǒng)不僅用于傳感器，還用于許多領(lǐng)域。除了感知傳感器外，還用于通信模塊，執(zhí)行器和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。它們都是微型機(jī)器，其組件的大小從微米（百萬(wàn)分之一米）到毫米不等。

　　MEMS設(shè)備范圍很廣，從沒(méi)有任何活動(dòng)部件的簡(jiǎn)單機(jī)器到具有多個(gè)活動(dòng)部件的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有許多不同類(lèi)型：磁性，電氣，熱，化學(xué)，光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)。

　　制造MEMS器件需要采用與制造其他半導(dǎo)體電路相同的許多技術(shù)：氧化，擴(kuò)散，離子注入，低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD），濺射等。另外，MEMS使用諸如微機(jī)械加工的專(zhuān)門(mén)工藝。

　　與早期實(shí)現(xiàn)相同功能的方法相比，MEMS設(shè)備更小，成本更低，功耗更低。它們也非常敏感且非常準(zhǔn)確。MEMS器件還具有出色的可重復(fù)性，因此還受益于半導(dǎo)體工藝技術(shù)固有的嚴(yán)格公差。

　　不利的一面是，盡管零件的生產(chǎn)成本非常低，但與設(shè)計(jì)，鑒定和制造MEMS產(chǎn)品相關(guān)的投資卻很大。結(jié)果，制造商不太可能為小批量應(yīng)用開(kāi)發(fā)零件。

　　MEMS器件類(lèi)型和MEMS應(yīng)用

　　典型的MEMS傳感器采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可響應(yīng)機(jī)械或電氣刺激（壓力，運(yùn)動(dòng)，加速度，磁場(chǎng)等）而以受控方式運(yùn)動(dòng)。其中典型的技術(shù)是使用移動(dòng)來(lái)改變可變電容的極板之間的距離。

　　輸出可以采用多種形式：模擬電壓；輸出電壓；標(biāo)準(zhǔn)串行總線(xiàn)，例如SPI或I2C；或在汽車(chē)安全氣囊應(yīng)用中流行的專(zhuān)用協(xié)議（例如DSI或PSI5）；無(wú)線(xiàn)連接選項(xiàng)包括低功耗藍(lán)牙（BLE）。

　　MEMS器件可用作單功能傳感器。在同一封裝中捆綁了多個(gè)MEMS類(lèi)別的模塊；以及高度集成的片上系統(tǒng)（SoC）器件，將MEMS器件，信號(hào)調(diào)理電子器件甚至嵌入式處理器集成在一個(gè)部件中。

　　MEMS技術(shù)已通過(guò)測(cè)量它們對(duì)適當(dāng)MEMS結(jié)構(gòu)的影響而應(yīng)用于測(cè)量許多不同的數(shù)量。

　　MEMS陀螺儀通過(guò)利用科里奧利加速度來(lái)測(cè)量角旋轉(zhuǎn)，該加速度在質(zhì)量朝向和遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)在MEMS框架上產(chǎn)生力。陀螺儀有單軸，雙軸和三軸版本，適用于不同的應(yīng)用：例如，雙軸陀螺儀用于游戲和光學(xué)圖像穩(wěn)定，而三軸陀螺儀可滿(mǎn)足汽車(chē)遠(yuǎn)程信息處理和導(dǎo)航的需求。

　　加速度計(jì)還使用框架中的質(zhì)量來(lái)測(cè)量靜態(tài)加速度（即重力）和動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，傾斜，沖擊等）。歸入加速度計(jì)的設(shè)備包括傾角儀，震動(dòng)傳感器，腦震蕩傳感器，傾斜傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器。加速度計(jì)還具有不同的軸組合：在汽車(chē)碰撞傳感器中發(fā)現(xiàn)單軸設(shè)備，在機(jī)器人技術(shù)，振動(dòng)監(jiān)控和防篡改應(yīng)用中出現(xiàn)三維單元。

　　壓力傳感器通過(guò)其在MEMS結(jié)構(gòu)中引起的偏轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量壓力。有一些版本可以測(cè)量相對(duì)于大氣壓的壓力，也可以測(cè)量相對(duì)于真空密封室的絕對(duì)壓力。MEMS壓力傳感器還可以間接測(cè)量其他量，例如流體流量，高度和水位。

　　磁力計(jì)使用各種物理現(xiàn)象，例如霍爾效應(yīng)，并測(cè)量磁場(chǎng)引起的機(jī)械效應(yīng)。

　　慣性測(cè)量單元（IMU）測(cè)量線(xiàn)性和通過(guò)組合三軸加速度計(jì)和陀螺儀成單個(gè)單元角加速度;IMU還可以包括磁力計(jì)和壓力傳感器，以提供有關(guān)設(shè)備三維方向和運(yùn)動(dòng)的信息：x，y和z軸上的加速度；俯仰，滾動(dòng)，偏航，高度;。應(yīng)用包括無(wú)人駕駛自動(dòng)駕駛汽車(chē)（UAV），機(jī)器人技術(shù)和工廠(chǎng)自動(dòng)化，航空電子設(shè)備，智能手機(jī)和平板電腦，虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲。

　　MEMS麥克風(fēng)通過(guò)測(cè)量聲波撞擊由可移動(dòng)膜片和固定背板組成的可變電容元件時(shí)的電容變化來(lái)工作。它們被廣泛用于空間受限的消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用，例如智能手機(jī)和平板電腦。

　　MEMS生物傳感器中，生物分子相互作用導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)中可測(cè)量的運(yùn)動(dòng)。例如，在結(jié)核?。═B）檢測(cè)中，涂有TB抗體的MEMS懸臂在將受感染的血液樣本置于其上時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

　　MEMS氣體傳感器通過(guò)測(cè)量在涂覆的傳感器的表面誘導(dǎo)的電阻變化來(lái)檢測(cè)氣體的存在。該傳感器可以檢測(cè)到低濃度的目標(biāo)氣體，典型響應(yīng)時(shí)間少于一秒。甲濕度傳感器被優(yōu)化以檢測(cè)水蒸汽。

　　RFMEMS開(kāi)關(guān)將靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁與單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器IC結(jié)合使用，以代替RF開(kāi)關(guān)應(yīng)用中不可靠的笨重機(jī)電繼電器。可以使用多種開(kāi)關(guān)配置：例如，ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置，可以處理從DC到14GHz的信號(hào)。

　　MEMS光致動(dòng)器，例如德州儀器（TI）的數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD），使用MEMS技術(shù)形成了大量獨(dú)立控制的鏡面。每個(gè)反光鏡均可在電子控制下傾斜，以在“開(kāi)啟”和“關(guān)閉”狀態(tài)之間切換。啟用時(shí)，像素將來(lái)自投影儀燈泡的光反射到透鏡中，使其顯得明亮。在關(guān)閉狀態(tài)下，光線(xiàn)會(huì)指向其他地方，從而使像素看起來(lái)很暗。

　　MEMS振蕩器包含一個(gè)諧振器，該諧振器在來(lái)自模擬驅(qū)動(dòng)器芯片的靜電激勵(lì)下振動(dòng)。MEMS振蕩器可以產(chǎn)生1Hz至數(shù)百M(fèi)Hz的頻率，具有出色的穩(wěn)定性，低功耗和高抗電磁干擾（EMI）能力。

　　物聯(lián)網(wǎng)中的MEMS

　　物聯(lián)網(wǎng)對(duì)微型，低成本傳感器進(jìn)行監(jiān)控生產(chǎn)的各個(gè)方面都有巨大的需求。這些傳感器必須將信息傳達(dá)到工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，并且必須在工廠(chǎng)惡劣的電氣和機(jī)械環(huán)境中可靠地運(yùn)行。MEMS設(shè)備是為此目的而量身定制的：它們體積小，堅(jiān)固耐用，可在同一封裝中包含額外的電路塊以實(shí)現(xiàn)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接。

　　MEMS設(shè)備可以有效滿(mǎn)足許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求：

　　1、小型

　　用戶(hù)通常希望IoT設(shè)備在辦公室和家庭環(huán)境中體積小且不引人注目。根據(jù)定義，MEMS是不引人注目的。但是，除了用戶(hù)需求以外，在某些物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，可能需要將該設(shè)備添加到現(xiàn)有機(jī)器（例如汽車(chē)）中，該機(jī)器的硬件空間有限。在可穿戴設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等其他情況下，小尺寸是必須滿(mǎn)足的關(guān)鍵要求。由于其較小的性質(zhì)，MEMS滿(mǎn)足并超過(guò)了這些要求。

　　2、成本效益

　　在部署物聯(lián)網(wǎng)解決方案時(shí)，規(guī)模通常是一個(gè)主要問(wèn)題。例如，當(dāng)在農(nóng)田上放置傳感器以監(jiān)測(cè)天氣和濕度時(shí)，每英畝將需要播種許多設(shè)備?；蚩紤]一種資產(chǎn)跟蹤解決方案，其中可能需要跟蹤非常大量（且可變）的資產(chǎn)。在諸如運(yùn)輸?shù)钠渌麘?yīng)用中，設(shè)備可能只是一次性使用。MEMS是通過(guò)稱(chēng)為光刻的工藝制成的，這使得批量生產(chǎn)變得容易且具有成本效益。

　　3、低功耗

　　物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)關(guān)通常需要無(wú)線(xiàn)和電池供電。由于單位成本較低，因此更換整個(gè)單位通常比重新安裝新電池便宜。因此，功耗的任何減少都會(huì)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。某些MEMS與較大的MEMS面臨相同的功率要求。其他人則利用電磁力或流體動(dòng)力學(xué)中的不同力來(lái)降低功率消耗而又不犧牲功能性（例如，考慮通過(guò)小管道輸送水的表面張力情況）。

　　已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的MEMS傳感器有哪些呢？

　　工業(yè)機(jī)器人使用基于MEMS的3-D陀螺儀和加速度計(jì)來(lái)連續(xù)測(cè)量角速度和方向的變化，從而取代了昂貴的旋轉(zhuǎn)傳感器和編碼器。它們還可以檢測(cè)關(guān)節(jié)和執(zhí)行器中的過(guò)度振動(dòng)，這可能是過(guò)早失效的預(yù)兆。

　　MEMS加速度計(jì)可以檢測(cè)其他工業(yè)機(jī)器中的有害振動(dòng)或感應(yīng)有害的沖擊；MEMS壓力傳感器測(cè)量水流量和氣壓；MEMS氣體傳感器檢查有毒氣體排放；MEMS溫度傳感器是許多工業(yè)過(guò)程的關(guān)鍵部分。

　　在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中，MEMS振蕩器在監(jiān)督機(jī)器人和其他單元運(yùn)行的可編程邏輯控制器（PLC）中受到歡迎。光學(xué)設(shè)備適用于人機(jī)界面（HMI）顯示屏。

　　工廠(chǎng)自身以多種方式使用MEMS.壓力，溫度和濕度傳感器有助于控制HVAC系統(tǒng)。防篡改傳感器安裝在智能電表中；如果發(fā)生地震，MEMS震動(dòng)傳感器可以幫助切斷供氣。

　　經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)腗EMS傳感器可測(cè)量LPG和CNC驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛中的氣體壓力，這些車(chē)輛將產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)窖b卸平臺(tái)。產(chǎn)品出廠(chǎng)后，資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)便使用MEMS監(jiān)控貨物的撞擊和振動(dòng)。

　　未來(lái)值得關(guān)注的MEMS傳感器應(yīng)用領(lǐng)域

　　自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要數(shù)十個(gè)傳感器與周?chē)h(huán)境互動(dòng)。這些傳感器還必須盡可能小，以免占用其他設(shè)備（載人和電池）所需的空間。因此，汽車(chē)行業(yè)是MEMS傳感器生產(chǎn)和使用有望增長(zhǎng)最多的領(lǐng)域之一。

　　基于MEMS技術(shù)的加速度計(jì)具有很高的靈敏度，并且在極端關(guān)鍵的應(yīng)用中具有故障安全性能，例如在汽車(chē)最終用戶(hù)內(nèi)部的氣囊激活和車(chē)輛穩(wěn)定性方面。

　　正在探索使用MEMS技術(shù)的另一個(gè)領(lǐng)域是麥克風(fēng)。MEMS麥克風(fēng)可以例如減少用于手機(jī)的免提設(shè)備的尺寸，并專(zhuān)門(mén)為聽(tīng)覺(jué)有障礙的人們制造更小巧，更謹(jǐn)慎的輔助設(shè)備。

　　最壯觀(guān)而有趣的使用場(chǎng)景也許是生物技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)。諸如胃腸道檢查可以通過(guò)照相機(jī)和試管來(lái)完成，并使用小型的引導(dǎo)機(jī)器人來(lái)執(zhí)行。

　　隨著將更多設(shè)備和應(yīng)用程序添加到物聯(lián)網(wǎng)中，并且MEMS技術(shù)驅(qū)動(dòng)會(huì)使傳感器變小，而MEMS傳感器越來(lái)越小，又使物聯(lián)網(wǎng)觸角延伸得越來(lái)越廣，MEMS將成為更可行的解決方案。