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50+图片,从未如此直观!10种主流MEMS器件原理全看透

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MEMS传感器是当今最炙手可热的传感器制造技术,也是传感器小型化、智能化、低能耗的重要推动力,MEMS技术促进了传感器的极大发展,如果没有MEMS技术,传感器的未来将黯淡无光。
MEMS主要采用微电子技术,在微纳米的体积下塑造传感器的机械结构,因此,我们很难直观看到其工作原理。
本文以最清晰明了的方式,收集了大量动图、图片,直观阐述主流MEMS传感器的工作原理!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

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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,就是用半导体技术在硅片上制造电子机械系统,再形象一点说就是做一个微米纳米级的机械系统,这个机械系统可以把外界的物理、化学信号转换成电信号。这类芯片做出来可以干嘛?最常用的是承担传感功能。
在整个大的信息系统里有点类似于人的感官系统,例如MEMS麦克风芯片相当于人的耳朵,可以感知声音;MEMS扬声器芯片相当于人的嘴巴,可以发出声音;MEMS加速度计、陀螺仪、磁传感器芯片相当于人的小脑,可以感知方向和速度;MEMS压力芯片相当于人的皮肤,可以感知压力;MEMS化学传感器相当于人的鼻腔,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,就相当于没有感官器官的人。
下图是来自日本丰桥技术科学大学,通过高精度传感器拍摄的微米级MEMS机械结构运动情况,可以很直观看到MEMS具有常规的机械系统结构,但是尺寸做到了微米级甚至纳米级。

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MEMS被认为是21世纪最有前途的技术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术和微机械加工技术,MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。
在此需要划重点的是,MEMS是一种制造技术,诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机甚至蒸汽机都是由MEMS制造的。
事实上,MEMS这个词实际上有一定误导,因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而,MEMS又不仅仅是关于机械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术设计、创建复杂机械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则利用硅的机械特性,或者说利用硅的电学和机械特性。
那MEMS传感器又是什么?MEMS传感器就是把一颗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。
下图是一张典型的MEMS麦克风内部构造示意图,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主要器件是一颗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传感器的基础构造。
MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等信号变化,ASIC芯片将电容、电阻等信号变化转化为电信号,由此实现MEMS传感器的功能——外界信号转化为电信号。

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▲MEMS声学传感器构造图(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。

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根据著名市场调研公司Yole的数据,全球最主流的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、硅基微流控制器件、热电堆传感器、磁传感器。

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因为MEMS的微观特性,我们很难直观了解到各MEMS传感器的工作情况,下面特意搜集大量的动图,可以直观“看”到各主流MEMS传感器的工作原理。
一、MEMS声学传感器
MEMS声学传感器主要指硅麦克风、超声波传感器等,其中,硅麦克风是应用最多的MEMS声学传感器。
硅麦克风是指利用MEMS技术,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,所以TWS耳机、手机麦克风,才会实现如此集成化效果。

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上图是一颗MEMS麦克风的封装构造,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板上有信号端子(上右图黄色方块部分)和接地端子(上右图黄色圆圈部分)。根据信号处理方式的不同,不同信号MEMS麦克风的信号端子数量不同常见的为2~4个(Airpods Pro的麦克风有4个信号端子)。
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。

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无论是传统的驻极体麦克风(electret microphone)还是MEMS麦克风,其工作原理都是一样的。
MEMS传感器由上下两层构成一个电容器,上层为孔洞结构(下图黄色/绿色部分)术语为背板,下层为密闭结构,术语为振膜。当声音通过进音孔传递到传感器时,声压会导致两层振膜震动,从而导致振膜和背板之间的间距发生变化,进而使振膜和背板之间的电容发生变化,这样也就是将声压信号转变为了电信号。

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下图是MEMS芯片内部结构,由高精度传感器拍摄,能直观看到,MEMS底层薄膜随声波震动,从而将声压转换为电容、电阻信号,再经过ASIC芯片处理输出为电信号,这就是MEMS麦克风工作的整个流程。

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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。

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二、MEMS压力传感器
MEMS压力传感器,就是测量压力的,主要分为电容式和电阻式。
随着MEMS压力传感器的出现和普及,智能手机中用压力传感器也越来越多,主要用来测量大气压力。测量大气压的目的,是为了通过不同高度的气压,来计算海拔高度,同GPS定位信号配合,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压力传感器的原理也非常简单,核心结构就是一层薄膜元件,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测量这种形变,进而计算受到的压力。
下图是一种电容式MEMS压力传感器的结构图,当受到压力时,上下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化,导致隔板之间的电容变化,据此可以测算出压力大小。

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下图是一种MEMS电阻式压力传感器的工作动图,由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成,当外力施加时,电压与压力大小成比例变化产生测量值。

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下图是一种MEMS电容式压力传感器实物图。

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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动,比如消费电子中最广泛的体感检测,广泛应用于游戏控制、手柄振动和摇晃、姿态识别等等。
MEMS加速度传感器的原理非常易于理解,那就是高中物理最基础的牛顿第二定律。力是产生加速度的原因,加速度的大小与外力成正比,与物体质量成反比:F=ma。
所以MEMS加速度传感器本质上也是一种压力传感器,要计算加速度,本质上也是计算由于状态的改变,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。
其中,电容式硅微加速度计由于精度较高、技术成熟、且环境适应性强,是目前技术最为成熟、应用最为广泛的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原理的极距变化型的电容传感器,其中一个电极是固定的,另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移,使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(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结构,ASIC芯片位于MEMS芯片上方,MEMS芯片里,Z轴与X-Y轴从结构上是分开设计的。

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下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部结构图,梳状结构紧密排列。

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下图来自博世,显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。

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下图来自博世,但物体产生加速度时,带动梳妆结构产生位移,使梳妆结构间电容改变,从而测量出加速度值。

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四、MEMS陀螺仪传感器
MEMS陀螺仪又称MEMS角速度传感器,是一种测量角速度传感器,其原理相对来说复杂点。
测量角速度,不是一件容易的事情,必须在运动的物体中,寻找到一个静止不动的锚定物——这个锚定物就是陀螺。人们发现,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,会一直稳定指向一个方向。
陀螺仪能有什么用?最大的用处就是用来保持稳定。动物界中稳定性最好的就是禽类动物,譬如鸡,所以很多人开玩笑说,鸡的脑袋里肯定装了一个先进的陀螺仪,不管怎么动它,脑袋就是不动。而用陀螺仪,也可以保持机器的稳定性。

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至于陀螺仪的结构,核心就是一个呼呼转不停的转子,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,这就是陀螺仪的基本原理。

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再回到MEMS陀螺仪,与传统的陀螺仪工作原理有差异,因为“微雕”技术在硅片衬底上加工出一个可转动的立体转子,并不是一件容易的事。
MEMS陀螺仪陀螺仪利用科里奥利力原理——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?可以想象一下游乐场的旋转魔盘,人在旋转轴附近最稳定,但当大圆盘转速增加时,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落后的方向渐渐加速,这个力就是科里奥利力。

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所以MEMS陀螺仪的结构,就是一个在圆盘上的物体块,被驱动,不停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陀螺仪通常是用两个方向的可移动电容板,通过电容变化来测量科里奥利力。
下图是MEMS陀螺仪的工作动图,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,内部梳状结构一部分产生偏转,改变梳状结构间的距离,从而改变电容,测量出转角。

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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,整个器件尺寸为4mmX4mmX1.1mm。

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下图是MEMS芯片围观结构,各种机械结构密密麻麻,像是一个宏伟的建筑。注意看,左上角是一根头发丝。

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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悉的应用领域就是惯性导航,比如飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用。相关介绍可以查看《总算明白了,现代战争,打的都是传感器》。

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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,采用陶瓷基板和引线键合。

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六、MEMS磁传感器
磁传感器并非像名字显示的那样,只是为了测量磁场强度的器件,而是根据受外界影响,敏感元件磁性能变化,来检测外部环境变化的器件,可检测的外界因素有磁场、电流、应力应变、温度、光等。
磁传感器主要分为四大类,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。
其中,磁阻传感器是第四代磁传感技术,基于纳米薄膜技术和半导体制备工艺,通过探测磁场信息来精确测量电流、位置、方向、转动、角度等物理参数。

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由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化,因此基于MEMS的磁传感器具有体积小、性能高、成本低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点,其制备材料以Si为主,消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响。
下图是一个3轴MEMS磁传感器封装结构图,包含MEMS芯片和控制电路。

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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。

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七、MEMS微流控系统
MEMS器件有着广泛的用途,主要分为传感器和执行器(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)等则属于执行器,是MEMS器件的重要组成。
MEMS微流控(microfluidics )系统,就是一种流量控制,是精确控制和操控液体流动的装置,使用几十到几百微米尺度的管道,一般针对微量流体,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,具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。
MEMS微流控是纯粹的机械结构,制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。
MEMS微流控芯片,直白点说,就是在一片很小的玻璃流道上进行生物化学反应,用芯片进行计算,用传感器传递信号。
下图是微流控芯片的结构示例,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应用前景,是一种极具前景的生物传感器。

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下图为流体在微管道中流动、捕捉的动态过程。

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八、射频MEMS
射频MEMS器件分为MEMS滤波器、MEMS开关、MEMS谐振器等。
射频前端模组主要由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成,其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件,滤波器的工艺就是MEMS,在射频前端模组中占比超过50%,主要由村田制作所等国外公司生产。
因为没有适用的国产5G MEMS滤波器,因此华为手机只能用4G,也是这个原因,可见MEMS滤波器的重要性。相关介绍可查看《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),负责接收通道的射频信号滤波,将接收的多种射频信号中特定频率的信号输出,将其他频率信号滤除。以SAW声表面波为例,通过电磁信号-声波-电磁信号的两次转换,将不受欢迎的频率信号滤除。

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下图是各种MEMS滤波器的微观结构、封装形态等信息,可以直观了解各种MEMS滤波器的差别。

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射频开关(Switch),不是一个单纯的开关,而是一个切换器,主要用于在射频设备中对不同方向(接收或发射)、不同频率的信号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开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。
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,梁上的电极接触基板上的电极,将开关置于“开启”状态并接通了电路。

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最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作,非常适合高频率的射频应用。
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,会接触到基板上的电介质,使信号终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示,其中使用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。

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振荡器/谐振器(Oscillator/Resonator),振荡器是将直流电能转变成交流电能的过程,用来产生一定频率的交流信号,属于有源器件。谐振器是电路对一定频率的信号进行谐振,主要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对比,MEMS谐振器具有更高的稳定性、可靠性以及更小的体积。

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九、DMD(数字微镜器件)
DMD(Digital Micromirror Device,数字微镜器件)是光学MEMS的重要类别,主要应用于DLP(Digital Light Processing,数字光处理)领域,即影像的投影
投影,简单理解就是各种投影仪,将数字画面信号,通过一系列的汇聚、反射,投射到外部的过程。

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在投影系统中,DMD芯片是其中的核心部件之一。
DMD技术通过数字信息控制数十万到上百万个微小的反射镜,将不同数量的光线投射出去。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数字信号的控制下做正10度或负10度的角度翻转。
目前DMD芯片全世界只有美国的TI(德州仪器)可以生产。
下图是DMA芯片的封装结构示意图,可以点击放大查看。

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下图是DMD芯片里,每个微镜的运动情况,而这样的微镜,在一个DMD芯片里面数以百万计,每一面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。

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下图是DMD芯片每一个微镜翻转,折射光线的过程,每一片微镜都可以单独控制,折射相应的光线,从而形成不同的色彩、明暗,每一个微镜就如同我们电视的每一个像素点。

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十、MEMS喷墨打印头
MEMS喷墨打印头其实和上文中介绍的MEMS微流控系统是同一类型,均属于MEMS微流控领域的应用,不过不同的是,MEMS微流控系统主要用在生物检测上,MEMS喷墨打印头是用在打印机上,控制油墨的喷吐。
简单点说,喷墨打印头的作用是挤出墨汁,有的是利用压电薄膜震动来挤压墨水,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喷墨技术,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术,和使用热发泡打印技术的惠普、佳能等厂商,互为对手。

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结语
本文主要目的是想以动图、图片等最直观的方式,为我们展示主流MEMS传感器的工作原理,以对各类MEMS传感器有基本的了解。
受限与篇幅和编者个人能力,并未对各MEMS传感器的原理有深入讲解,如有知识上的错误欢迎在传感器传感器头条号本内容底下留言讨论。

声明:本文内容系作者个人观点,不代表传感器专家网观点或立场。更多观点,欢迎大家留言评论。
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