1959年美國物理學家Richard Feynman（理查德費曼），在他著名的演講“底部有足夠的空間（There's Plenty of Room at the Bottom）”中，提出了將機器小型化到原子和分子尺度的想法。然而，直到 20 世紀 80 年代和 90 年代，MEMS 技術才開始得到開發(fā)和商業(yè)化。 1962年，微小器件的先驅(qū)——第一個硅微壓力傳感器問世，開創(chuàng)了MEMS技術的先河，也是MEMS微傳感器的起始點。霍尼?爾研究中?和?爾實驗室的相關論文顯示，他們發(fā)明了第?個硅隔膜壓?傳感器和應變計。 此后，?們對MEMS傳感器技術的興趣急劇增?，到 1960 年代后期，許多美國先驅(qū)公司已經(jīng)開始生產(chǎn)第一批MEMS壓力傳感器。 MEMS技術發(fā)展迅速，對現(xiàn)今傳感器的普及起到關鍵作用，如果沒有MEMS技術，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、汽車等發(fā)展也將嚴重滯后。 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)模應用，每年全球出貨量數(shù)以百億計，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：一經(jīng)推出就在移動設備上大受歡迎 1961年，著名的貝爾實驗室研發(fā)出第一款駐極體（ECM）麥克風，利用聲音作用在振膜上電容大小的變化，將聲音轉換為電信號。 之后駐極體麥克風在全國大規(guī)模流行了40多年的時間，直到2003年，市場上第一款商用MEMS麥克風產(chǎn)品問世——來自Knowles（樓氏電子）的SiSonic麥克風。 此時，市場上移動手機逐漸普及，并且越做越輕薄，傳統(tǒng)的駐極體麥克風無法滿足可移動設備對麥克風輕、薄、小的要求，MEMS麥克風的問世獲得手機廠商的青睞。 2003年，樓氏電子率先將MEMS麥克風出貨給日本京瓷，應用于手機中，同一年，摩托羅拉在其超薄手機RAZR中使用樓氏電子的MEMS麥克風，目前樓氏電子已賣出超百億顆SiSonic麥克風。 ▲來源：Digitimes MEMS麥克風在市場上大獲成功，基本在市場上——尤其是移動設備市場，全面替代傳統(tǒng)的駐極體麥克風，成為市場主流，我們每臺手機中，至少都有3顆以上的MEMS麥克風。 據(jù)YoleDeveloppement數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2015年開始MEMS麥克風的出貨量逐步超過ECM——此時MEMS麥克風商業(yè)化僅12年，此后MEMS麥克風出貨量連年兩位數(shù)增長。 ? ? 據(jù)Yole的數(shù)據(jù)顯示，憑借MEMS麥克風的先發(fā)優(yōu)勢，樓氏電子長期以來占據(jù)全球MEMS麥克風第一廠商寶座，直至2020年被歌爾微超越，歌爾微、瑞聲科技、敏芯股份等MEMS麥克風廠商的崛起側面折射出中國MEMS產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 ? ? ▲來源：歌爾微電子 ? MEMS慣性傳感器：讓移動設備的慣性測量成為可能 你知道嗎？世界上第一個真正大規(guī)模商業(yè)化的 MEMS 傳感器是加速度計，它由美國ADI公司（亞德諾）于 1991 年發(fā)明。該傳感器基于電容傳感原理，傳感器的輸出信號可用于測量加速度或傾斜度。 這個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20美元，而ADI的MEMS加速度傳感器售價約為每個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，在汽車等許多領域替代了傳統(tǒng)慣性傳感器，并創(chuàng)造了更多的應用場景——譬如手機、智能手表、TWS耳機等可移動設備的慣性測量成為可能。 MEMS 慣性傳感器主要包括 MEMS 陀螺儀、MEMS 加速度計、MEMS-IMU（慣性測量單元）。 在手機中，MEMS加速度計負責感知運動狀態(tài)，通過測量物體在三個方向上的加速度，實現(xiàn)屏幕自動旋轉、計步器、游戲控制等多種功能。 目前，市場上最成功的MEMS加速度計供應商是博世、意法半導體、村田制作所、恩智浦和亞德諾等，其中，博世和意法半導體分別以32%和21%市場份額領先。 ? 陀螺儀通過測量角速度來感知物體的旋轉狀態(tài)，自Sperry發(fā)明全球第一個實用的陀螺儀至今，陀螺技術已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展，是慣性技術的核心。 ? 1989年采用MEMS技術的第一個微機械陀螺問世，漂移率達10度/小時。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)，使在移動設備上使用陀螺儀成為可能。 ? ? ? iPhone 4是世界上第一臺內(nèi)置MEMS三軸陀螺儀的手機，可以感知來自六個方向的運動、加速度、角度變化 ? 在智能手機中，陀螺儀與GPS、地磁傳感器等配合，可以實現(xiàn)精確的定位和導航功能，同時游戲方面的重力感應特性更加強悍和直觀，游戲效果將大大提升。這個功能可以讓手機在進入隧道丟失GPS信號的時候，憑借陀螺儀感知的加速度方向和大小繼續(xù)為用戶導航。而三軸陀螺儀將會與iPhone原有的距離感應器、光線感應器、方向感應器結合起來讓iPhone 4的人機交互功能達到了一個新的高度。 ? ? ? ? 如今，隨著無人機、自動駕駛技術的興起，MEMS陀螺儀的應用越來越廣，為這些設備提供穩(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、意法半導體等。 ? MEMS-IMU（慣性測量單元）由MEMS加速度計和MEMS陀螺儀組成，具備加速度和角速度測量能力，應用領域非常廣泛 ，美國Draper 實驗室于 1994 年研制出了首臺微機電慣性測量組合。 ? ▲InvenSense（TDK）的九軸慣性測量單元內(nèi)部：陀螺儀 (右)和加速度計(左) ? ? MEMS IMU的發(fā)展早期主要受軍工需求推動，后續(xù)逐步推廣至民用，現(xiàn)已于消費電子、汽車、工業(yè)自動化等領域中實現(xiàn)廣泛應用。 ? 目前，隨著MEMS IMU技術的快速發(fā)展和成本下降，MEMS IMU有逐步替代獨立的MEMS加速度計和MEMS陀螺儀的趨勢。 MEMS壓力傳感器：帶動壓力檢測向微小化延伸 壓力是是各種物理量中，排名第二大的測量值，如前文所述，世界上第一個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，滿足最嚴苛的測試和測量規(guī)格，包括一般的工業(yè)過程需求和專用于危險區(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械疲勞或老化、輸出信號穩(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）等優(yōu)點，隨著移動設備、汽車等發(fā)展MEMS壓力傳感器越來越受到歡迎。 在醫(yī)療健康領域，壓力傳感器被廣泛應用于血壓計、呼吸機、監(jiān)護儀等設備中，為醫(yī)生提供準確的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。此外，隨著可穿戴設備的興起，壓力傳感器也被用于智能手環(huán)、智能手表等設備中，實現(xiàn)心率監(jiān)測、睡眠分析等功能。 ▲MEMS壓力傳感器應用，來源：Yole MEMS壓力傳感器的一個顯著優(yōu)點，是其體積可以做到非常小，從而推動了壓力傳感器在小型化移動設備、醫(yī)療等創(chuàng)新領域的應用。 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，細如發(fā)絲，推動了壓力感測在醫(yī)療設備領域的應用，今后在診斷導管、治療導管、一次性窺鏡、活檢針、消融設備等微創(chuàng)醫(yī)療設備上都可以應用該IntraSense系列傳感器，醫(yī)生進行相關微創(chuàng)手術就不需要僅憑借經(jīng)驗進行操作，可以根據(jù)準確的壓力數(shù)值去判斷，這將對現(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比，來源：TE泰科電子 MEMS DLP芯片：巔峰傳統(tǒng)投影設備，開拓數(shù)字激光投影時代 DLP投影技術是顯示領域劃時代的革命，就好像CD在音頻領域產(chǎn)生的巨大影響一樣，DLP為視頻投影顯示翻開新的一頁。 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年美國電影藝術與科學學院獎（即奧斯卡獎）科學技術獎，將百年歷史的電影產(chǎn)業(yè)轉化為數(shù)字電影技術所作出的杰出貢獻受到表彰！足見MEMS DLP芯片技術對影像產(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驗室正式啟動。當時，Hornbeck首次利用“可變形反射鏡”以模擬技術的方式對光線進行控制，但所應用的模擬技術始終難以達到預期要求。直到1987年他在技術上獲得突破，基于MEMS技術發(fā)明了DMD（即DLP芯片），這種情況才得以改觀。 此后，DLP技術投影儀長期占據(jù)超過60%以上市場份額，是市場主流投影技術方案，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，批量制造成千上萬個“鏡子”——微鏡，下圖是DMA芯片的封裝結構示意圖，可以點擊放大查看。 ? 在一個DLP芯片里面微鏡數(shù)以百萬計，每一面反射鏡都可以獨立反轉運動，正負方向翻轉，每秒鐘翻轉次數(shù)高達數(shù)萬次。下圖是DMD芯片每一個微鏡翻轉，折射光線的過程，每一片微鏡都可以單獨控制，折射相應的光線，從而形成不同的色彩、明暗，每一個微鏡就如同我們電視的每一個像素點。 ? ? 目前，DLP芯片技術大都為為德州儀器獨家專利，據(jù)Yole的數(shù)據(jù)顯示，憑借DLP芯片的營收，德州儀器占據(jù)全球光學MEMS市場近80%份額。 ? ? ▲2022全球光學MEMS市場份額，來源：Yole ? MEMS噴墨頭：三分打印天下，還可以打印DNA結構 在噴墨打印機中，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，形成了打印機兩大陣營，以愛普生、Brother為代表的微壓電打印技術，和使用熱發(fā)泡打印技術的惠普、佳能等廠商，互為對手。 ? 目前，噴墨打印機與激光打印機、針式打印機三分天下，是主流的打印技術方案之一。 ? ? 憑借MEMS噴墨打印頭的出貨量，惠普、愛普生、佳能等打印機廠商長期進入全球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)學生物研究領域，MEMS噴墨技術還被用于DAN陣列的構建，將合成試劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的墨水， ? 在DNA合成技術中，噴墨打印合成技術因其高通量、高效率、低成本成為最受關注的焦點，并極大推動了DNA合成的發(fā)展，近年來相關專利數(shù)量也大幅提升。 ? 結語 MEMS技術是21世紀最具革命性的高新技術之一，從本文中，我們可以看到MEMS麥克風、慣性傳感器、壓力傳感器、DLP芯片、噴墨頭等MEMS器件，在各領域的顛覆性應用，MEMS器件的出現(xiàn)大大推動和擴展了傳統(tǒng)器件的應用邊界。 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，新的MEMS技術，如MEMS揚聲器、MEMS時鐘也正展現(xiàn)蓬勃的發(fā)展勢頭，未來有望顛覆相關賽道。 審核編輯 黃宇