1959年美國(guó)物理學(xué)家Richard Feynman（理查德費(fèi)曼），在他著名的演講“底部有足夠的空間（There's Plenty of Room at the Bottom）”中，提出了將機(jī)器小型化到原子和分子尺度的想法。然而，直到 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代，MEMS 技術(shù)才開始得到開發(fā)和商業(yè)化。
1962年，微小器件的先驅(qū)——第一個(gè)硅微壓力傳感器問世，開創(chuàng)了MEMS技術(shù)的先河，也是MEMS微傳感器的起始點(diǎn)。霍尼⻙爾研究中⼼和⻉爾實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)論文顯示，他們發(fā)明了第⼀個(gè)硅隔膜壓⼒傳感器和應(yīng)變計(jì)。
此后，⼈們對(duì)MEMS傳感器技術(shù)的興趣急劇增⻓，到 1960 年代后期，許多美國(guó)先驅(qū)公司已經(jīng)開始生產(chǎn)第一批MEMS壓力傳感器。
▲理查德•費(fèi)曼
MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)現(xiàn)今傳感器的普及起到關(guān)鍵作用，如果沒有MEMS技術(shù)，傳感器的微型化、集成化、低功耗等將難以做到，而物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、汽車等發(fā)展也將嚴(yán)重滯后。
如今，多種MEMS傳感器及執(zhí)行器取得了商業(yè)化的成功，替代傳統(tǒng)器件，得到大規(guī)模應(yīng)用，每年全球出貨量數(shù)以百億計(jì)，本文我們來看看這些取得巨大成功的MEMS傳感器及執(zhí)行器器件。
MEMS麥克風(fēng)：一經(jīng)推出就在移動(dòng)設(shè)備上大受歡迎
1961年，著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一款駐極體（ECM）麥克風(fēng)，利用聲音作用在振膜上電容大小的變化，將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
之后駐極體麥克風(fēng)在全國(guó)大規(guī)模流行了40多年的時(shí)間，直到2003年，市場(chǎng)上第一款商用MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品問世——來自Knowles（樓氏電子）的SiSonic麥克風(fēng)。
MEMS慣性傳感器：讓移動(dòng)設(shè)備的慣性測(cè)量成為可能
你知道嗎？世界上第一個(gè)真正大規(guī)模商業(yè)化的 MEMS 傳感器是加速度計(jì)，它由美國(guó)ADI公司（亞德諾）于 1991 年發(fā)明。該傳感器基于電容傳感原理，傳感器的輸出信號(hào)可用于測(cè)量加速度或傾斜度。
這個(gè)MEMS加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊中，此前汽車安全氣囊用傳統(tǒng)傳感器一只售價(jià)20美元，而ADI的MEMS加速度傳感器售價(jià)約為每個(gè)5美元，這使安全氣囊電子裝置的成本降低了75%左右。
此后，MEMS慣性傳感器快速普及，在汽車等許多領(lǐng)域替代了傳統(tǒng)慣性傳感器，并創(chuàng)造了更多的應(yīng)用場(chǎng)景——譬如手機(jī)、智能手表、TWS耳機(jī)等可移動(dòng)設(shè)備的慣性測(cè)量成為可能。
MEMS 慣性傳感器主要包括 MEMS 陀螺儀、MEMS 加速度計(jì)、MEMS-IMU（慣性測(cè)量單元）。
在手機(jī)中，MEMS加速度計(jì)負(fù)責(zé)感知運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過測(cè)量物體在三個(gè)方向上的加速度，實(shí)現(xiàn)屏幕自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、計(jì)步器、游戲控制等多種功能。
目前，市場(chǎng)上最成功的MEMS加速度計(jì)供應(yīng)商是博世、意法半導(dǎo)體、村田制作所、恩智浦和亞德諾等，其中，博世和意法半導(dǎo)體分別以32%和21%市場(chǎng)份額領(lǐng)先。
陀螺儀通過測(cè)量角速度來感知物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，自Sperry發(fā)明全球第一個(gè)實(shí)用的陀螺儀至今，陀螺技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展，是慣性技術(shù)的核心。
1989年采用MEMS技術(shù)的第一個(gè)微機(jī)械陀螺問世，漂移率達(dá)10度/小時(shí)。相比其他陀螺儀，MEMS 陀螺儀的成本更低、體積更小、可靠性更高且更易于批量化生產(chǎn)，使在移動(dòng)設(shè)備上使用陀螺儀成為可能。
iPhone 4是世界上第一臺(tái)內(nèi)置MEMS三軸陀螺儀的手機(jī)，可以感知來自六個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)、加速度、角度變化
在智能手機(jī)中，陀螺儀與GPS、地磁傳感器等配合，可以實(shí)現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航功能，同時(shí)游戲方面的重力感應(yīng)特性更加強(qiáng)悍和直觀，游戲效果將大大提升。這個(gè)功能可以讓手機(jī)在進(jìn)入隧道丟失GPS信號(hào)的時(shí)候，憑借陀螺儀感知的加速度方向和大小繼續(xù)為用戶導(dǎo)航。而三軸陀螺儀將會(huì)與iPhone原有的距離感應(yīng)器、光線感應(yīng)器、方向感應(yīng)器結(jié)合起來讓iPhone 4的人機(jī)交互功能達(dá)到了一個(gè)新的高度。
如今，隨著無人機(jī)、自動(dòng)駕駛技術(shù)的興起，MEMS陀螺儀的應(yīng)用越來越廣，為這些設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的姿態(tài)控制。
MEMS陀螺儀的主要廠商有TDK、亞德諾、霍尼韋爾、博世、意法半導(dǎo)體等。
MEMS-IMU（慣性測(cè)量單元）由MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀組成，具備加速度和角速度測(cè)量能力，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 ，美國(guó)Draper 實(shí)驗(yàn)室于 1994 年研制出了首臺(tái)微機(jī)電慣性測(cè)量組合。
▲InvenSense（TDK）的九軸慣性測(cè)量單元內(nèi)部：陀螺儀 (右)和加速度計(jì)(左)
MEMS IMU的發(fā)展早期主要受軍工需求推動(dòng)，后續(xù)逐步推廣至民用，現(xiàn)已于消費(fèi)電子、汽車、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
目前，隨著MEMS IMU技術(shù)的快速發(fā)展和成本下降，MEMS IMU有逐步替代獨(dú)立的MEMS加速度計(jì)和MEMS陀螺儀的趨勢(shì)。
MEMS壓力傳感器：帶動(dòng)壓力檢測(cè)向微小化延伸
壓力是是各種物理量中，排名第二大的測(cè)量值，如前文所述，世界上第一個(gè)MEMS傳感器為硅微壓力傳感器，于1962年問世，由霍尼韋爾研發(fā)。
目前霍尼韋爾的壓力傳感器產(chǎn)品覆蓋了各種各樣的場(chǎng)景，其絕壓、表壓、真表壓、小型壓力傳感器等各種壓力傳感器，能在世界上最惡劣的環(huán)境下，滿足最嚴(yán)苛的測(cè)試和測(cè)量規(guī)格，包括一般的工業(yè)過程需求和專用于危險(xiǎn)區(qū)域的壓力傳感器。
▲霍尼韋爾工業(yè)壓力傳感器，來源：霍尼韋爾官網(wǎng)
相比傳統(tǒng)的壓力傳感器，MEMS壓力傳感器具有無機(jī)械疲勞或老化、輸出信號(hào)穩(wěn)定、靈敏度高、體積小、適合批量大規(guī)模生產(chǎn)（成本優(yōu)勢(shì)）等優(yōu)點(diǎn)，隨著移動(dòng)設(shè)備、汽車等發(fā)展MEMS壓力傳感器越來越受到歡迎。
在醫(yī)療健康領(lǐng)域，壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于血壓計(jì)、呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備中，為醫(yī)生提供準(zhǔn)確的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。此外，隨著可穿戴設(shè)備的興起，壓力傳感器也被用于智能手環(huán)、智能手表等設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)心率監(jiān)測(cè)、睡眠分析等功能。
▲MEMS壓力傳感器應(yīng)用，來源：Yole
MEMS壓力傳感器的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，是其體積可以做到非常小，從而推動(dòng)了壓力傳感器在小型化移動(dòng)設(shè)備、醫(yī)療等創(chuàng)新領(lǐng)域的應(yīng)用。
譬如，此前泰科電子推出了業(yè)界首創(chuàng)微型侵入式MEMS壓力傳感器，細(xì)如發(fā)絲，推動(dòng)了壓力感測(cè)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用，今后在診斷導(dǎo)管、治療導(dǎo)管、一次性窺鏡、活檢針、消融設(shè)備等微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備上都可以應(yīng)用該IntraSense系列傳感器，醫(yī)生進(jìn)行相關(guān)微創(chuàng)手術(shù)就不需要僅憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，可以根據(jù)準(zhǔn)確的壓力數(shù)值去判斷，這將對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療行業(yè)的數(shù)字化產(chǎn)生巨大變革。
▲泰科電子突破性超小體積壓力傳感器與鉛筆對(duì)比，來源：TE泰科電子
MEMS DLP芯片：巔峰傳統(tǒng)投影設(shè)備，開拓?cái)?shù)字激光投影時(shí)代
DLP投影技術(shù)是顯示領(lǐng)域劃時(shí)代的革命，就好像CD在音頻領(lǐng)域產(chǎn)生的巨大影響一樣，DLP為視頻投影顯示翻開新的一頁(yè)。
數(shù)字微鏡裝置（DMD，或稱為DLP芯片）的發(fā)明者——德州儀器 Larry J. Hornbeck博士，榮獲2014年美國(guó)電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院獎(jiǎng)（即奧斯卡獎(jiǎng)）科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)，將百年歷史的電影產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電影技術(shù)所作出的杰出貢獻(xiàn)受到表彰！足見MEMS DLP芯片技術(shù)對(duì)影像產(chǎn)業(yè)的重要影響力。
DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）芯片的核心器件是DMD（Digital Micromirror Device，數(shù)字微鏡器件），是光學(xué)MEMS的重要類別。
1977年，DLP芯片的研發(fā)在德州儀器中央研究實(shí)驗(yàn)室正式啟動(dòng)。當(dāng)時(shí)，Hornbeck首次利用“可變形反射鏡”以模擬技術(shù)的方式對(duì)光線進(jìn)行控制，但所應(yīng)用的模擬技術(shù)始終難以達(dá)到預(yù)期要求。直到1987年他在技術(shù)上獲得突破，基于MEMS技術(shù)發(fā)明了DMD（即DLP芯片），這種情況才得以改觀。
此后，DLP技術(shù)投影儀長(zhǎng)期占據(jù)超過60%以上市場(chǎng)份額，是市場(chǎng)主流投影技術(shù)方案，這一情況直到近兩年才有所變化。
DLP芯片即在一塊硅基中，使用MEMS技術(shù)，批量制造成千上萬個(gè)“鏡子”——微鏡，下圖是DMA芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖，可以點(diǎn)擊放大查看。
在一個(gè)DLP芯片里面微鏡數(shù)以百萬計(jì)，每一面反射鏡都可以獨(dú)立反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，正負(fù)方向翻轉(zhuǎn)，每秒鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)高達(dá)數(shù)萬次。下圖是DMD芯片每一個(gè)微鏡翻轉(zhuǎn)，折射光線的過程，每一片微鏡都可以單獨(dú)控制，折射相應(yīng)的光線，從而形成不同的色彩、明暗，每一個(gè)微鏡就如同我們電視的每一個(gè)像素點(diǎn)。
目前，DLP芯片技術(shù)大都為為德州儀器獨(dú)家專利，據(jù)Yole的數(shù)據(jù)顯示，憑借DLP芯片的營(yíng)收，德州儀器占據(jù)全球光學(xué)MEMS市場(chǎng)近80%份額。
▲2022全球光學(xué)MEMS市場(chǎng)份額，來源：Yole
MEMS噴墨頭：三分打印天下，還可以打印DNA結(jié)構(gòu)
在噴墨打印機(jī)中，MEMS噴墨打印頭是最核心的部件，其作用是擠出墨汁，有的是利用壓電薄膜震動(dòng)來擠壓墨水，有的是利用加熱氣泡變大，將腔體內(nèi)的墨汁擠出。
有趣的是，以這兩種MEMS噴墨技術(shù)，形成了打印機(jī)兩大陣營(yíng)，以愛普生、Brother為代表的微壓電打印技術(shù)，和使用熱發(fā)泡打印技術(shù)的惠普、佳能等廠商，互為對(duì)手。
目前，噴墨打印機(jī)與激光打印機(jī)、針式打印機(jī)三分天下，是主流的打印技術(shù)方案之一。
憑借MEMS噴墨打印頭的出貨量，惠普、愛普生、佳能等打印機(jī)廠商長(zhǎng)期進(jìn)入全球MEMS器件出貨量TOP 30名單中。
▲來源：Yole
此外，除了打印文字照片外，在醫(yī)學(xué)生物研究領(lǐng)域，MEMS噴墨技術(shù)還被用于DAN陣列的構(gòu)建，將合成試劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的墨水，
在DNA合成技術(shù)中，噴墨打印合成技術(shù)因其高通量、高效率、低成本成為最受關(guān)注的焦點(diǎn)，并極大推動(dòng)了DNA合成的發(fā)展，近年來相關(guān)專利數(shù)量也大幅提升。
結(jié)語(yǔ)
MEMS技術(shù)是21世紀(jì)最具革命性的高新技術(shù)之一，從本文中，我們可以看到MEMS麥克風(fēng)、慣性傳感器、壓力傳感器、DLP芯片、噴墨頭等MEMS器件，在各領(lǐng)域的顛覆性應(yīng)用，MEMS器件的出現(xiàn)大大推動(dòng)和擴(kuò)展了傳統(tǒng)器件的應(yīng)用邊界。
除文中提到的MEMS傳感器和執(zhí)行器外，MEMS濾波器、MEMS熱電堆等也被廣泛使用。同時(shí)，新的MEMS技術(shù)，如MEMS揚(yáng)聲器、MEMS時(shí)鐘也正展現(xiàn)蓬勃的發(fā)展勢(shì)頭，未來有望顛覆相關(guān)賽道。
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