為什么要了解MEMS（Micro-electro mechanical Systems，微機電系統(tǒng)）？

因為被“卡脖子”了，還因為這個領域市場廣闊，有錢賺。

為什么華為P60仍然不支持5G，這可是2023年的旗艦機啊，這可是在5G網絡全面普及的中國，很諷刺啊。

有人會問，華為不是有自己的巴龍5G基帶芯片嗎？原因是5G射頻濾波器被斷供！目前5G射頻前端用的濾波器的工藝就是MEMS。

一個射頻前端模組由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關等器件組成，其中濾波器是射頻前端中最重要的分立器件，目前5G射頻前端用的濾波器的工藝就是MEMS，在射頻前端模組中成本占比超過50%，主要由村田制作所等國外公司壟斷。

射頻模組

當然，濾波器只是MEMS的一種，MEMS有著廣闊的用途，接下來就具體聊聊。

什么是MEMS

MEMS是一個很小的機械系統(tǒng)，產品尺寸在1μm~1mm之間（頭發(fā)直徑約50μm），感知外界環(huán)境，并作出相應操作。下圖是來自日本豐橋技術科學大學，通過高精度傳感器拍攝的微米級MEMS機械結構運動情況，可以很直觀看到MEMS具有常規(guī)的機械系統(tǒng)結構，但是尺寸做到了微米級甚至納米級。

MEMS的市場前景

國內市場年增長在15%左右，預計2025年達到1500億。

隨著汽車電動化的加速，單輛汽車傳感器的個數(shù)將達到1000個以上。這個是增速極大的市場。汽車必然會超越消費電子。

MEMS技術原理

MEMS傳感器類似于人的感官系統(tǒng)，例如MEMS麥克風芯片相當于人的耳朵，可以感知聲音；MEMS揚聲器芯片相當于人的嘴巴，可以發(fā)出聲音；MEMS加速度計、陀螺儀、磁傳感器芯片相當于人的小腦，可以感知方向和速度；MEMS壓力芯片相當于人的皮膚，可以感知壓力；MEMS化學傳感器相當于人的鼻腔，可以感知味道和溫濕度。沒有MEMS芯片的人工智能和萬物互聯(lián)，就相當于沒有感官器官的人。

MEMS實現(xiàn)人體的觸覺、味覺、聽見、視覺、嗅覺

（1）MEMS聲學傳感器

MEMS聲學傳感器主要指硅麥克風、超聲波傳感器等，其中，硅麥克風是應用最多的MEMS聲學傳感器。

硅麥克風是指利用MEMS技術，在硅基上制造的微縮麥克風，迎合目前3C產品小型化和集成化趨勢，所以TWS耳機、手機麥克風，才會實現(xiàn)如此集成化效果。

上圖是一顆MEMS麥克風的封裝構造，由三部分構成，第一部分是MEMS芯片，第二部分是ASIC芯片，第三部分是金屬外殼，底部PCB板上有信號端子（上右圖黃色方塊部分）和接地端子（上右圖黃色圓圈部分）。根據信號處理方式的不同，不同信號MEMS麥克風的信號端子數(shù)量不同常見的為2~4個（Airpods Pro的麥克風有4個信號端子）。

下圖是一顆來自樓氏電子的MEMS芯片，用高精度傳感器拍攝的實拍圖片，呈正方形，邊長1mm。

無論是傳統(tǒng)的駐極體麥克風（electret microphone）還是MEMS麥克風，其工作原理都是一樣的。

MEMS傳感器由上下兩層構成一個電容器，上層為孔洞結構（下圖黃色/綠色部分）術語為背板，下層為密閉結構，術語為振膜。當聲音通過進音孔傳遞到傳感器時，聲壓會導致兩層振膜震動，從而導致振膜和背板之間的間距發(fā)生變化，進而使振膜和背板之間的電容發(fā)生變化，這樣也就是將聲壓信號轉變?yōu)榱穗娦盘枴?/span>

下圖是MEMS芯片內部結構，由高精度傳感器拍攝，能直觀看到，MEMS底層薄膜隨聲波震動，從而將聲壓轉換為電容、電阻信號，再經過ASIC芯片處理輸出為電信號，這就是MEMS麥克風工作的整個流程。

下圖為蘋果公司AirPods Pro無線藍牙耳機上的三顆MEMS麥克風實拍圖，均是我國MEMS聲學傳感器龍頭企業(yè)歌爾微電子供應。

（2）MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器，就是測量壓力的，主要分為電容式和電阻式。

隨著MEMS壓力傳感器的出現(xiàn)和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數(shù)等都可以檢測。

MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。

下圖是一種電容式MEMS壓力傳感器的結構圖，當受到壓力時，上下兩個橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據此可以測算出壓力大小。

下圖是一種MEMS電阻式壓力傳感器的工作動圖，由一個帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結構組成，當外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產生測量值。

下圖是一種MEMS電容式壓力傳感器實物圖。

（3）MEMS加速度傳感器

MEMS加速度傳感器利用加速度來感測運動和震動，比如消費電子中最廣泛的體感檢測，廣泛應用于游戲控制、手柄振動和搖晃、姿態(tài)識別等等。

MEMS加速度傳感器的原理非常易于理解，那就是高中物理最基礎的牛頓第二定律。力是產生加速度的原因，加速度的大小與外力成正比，與物體質量成反比：F=ma。

所以MEMS加速度傳感器本質上也是一種壓力傳感器，要計算加速度，本質上也是計算由于狀態(tài)的改變，產生的慣性力，常見的加速度傳感器包括壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。

其中，電容式硅微加速度計由于精度較高、技術成熟、且環(huán)境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。

電容式加速度傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器，其中一個電極是固定的，另一變化電極是彈性膜片。彈性膜片在外力(氣壓、液壓等)作用下發(fā)生位移，使電容量發(fā)生變化。這種傳感器可以測量氣流(或液流)的振動速度(或加速度)，還可以進一步測出壓力。

下圖是3軸MEMS加速度傳感器的封裝結構，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結構上是分開設計的。

下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內部結構圖，梳狀結構緊密排列。

下圖來自博世，顯示了微觀轉態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結構。

下圖來自博世，但物體產生加速度時，帶動梳妝結構產生位移，使梳妝結構間電容改變，從而測量出加速度值。

（4）MEMS陀螺儀傳感器

MEMS陀螺儀又稱MEMS角速度傳感器，是一種測量角速度傳感器，其原理相對來說復雜點。

測量角速度，不是一件容易的事情，必須在運動的物體中，尋找到一個靜止不動的錨定物——這個錨定物就是陀螺。人們發(fā)現(xiàn)，高速旋轉中的陀螺，角動量很大，旋轉軸不隨外界運動狀態(tài)改變而改變，會一直穩(wěn)定指向一個方向。

陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來保持穩(wěn)定。動物界中穩(wěn)定性最好的就是禽類動物，譬如雞，所以很多人開玩笑說，雞的腦袋里肯定裝了一個先進的陀螺儀，不管怎么動它，腦袋就是不動。而用陀螺儀，也可以保持機器的穩(wěn)定性。

至于陀螺儀的結構，核心就是一個呼呼轉不停的轉子，作為其他運動物體的靜止錨定物。下圖，高速旋轉的陀螺在一條線上保持平衡，這就是陀螺儀的基本原理。

再回到MEMS陀螺儀，與傳統(tǒng)的陀螺儀工作原理有差異，因為“微雕”技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的立體轉子，并不是一件容易的事。

MEMS陀螺儀陀螺儀利用科里奧利力原理——旋轉物體在有徑向運動時所受到的切向力。這種力超出了筆者的高中物理水平，怎么描述這種科里奧利力呢？可以想象一下游樂場的旋轉魔盤，人在旋轉軸附近最穩(wěn)定，但當大圓盤轉速增加時，人就會自動滑向盤邊緣，仿佛被一個力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速，這個力就是科里奧利力。

所以MEMS陀螺儀的結構，就是一個在圓盤上的物體塊，被驅動，不停地來回做徑向運動或者震蕩。由于在旋轉狀態(tài)中做徑向運動，因此就會產生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個方向的可移動電容板，通過電容變化來測量科里奧利力。

下圖是MEMS陀螺儀的工作動圖，傳感器的外框在旋轉運動期間沿相反方向擺動，當物體旋轉時，內部梳狀結構一部分產生偏轉，改變梳狀結構間的距離，從而改變電容，測量出轉角。

下圖是一顆封裝好的3軸MEMS陀螺儀，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整個器件尺寸為4mmX4mmX1.1mm。

下圖是MEMS芯片圍觀結構，各種機械結構密密麻麻，像是一個宏偉的建筑。注意看，左上角是一根頭發(fā)絲。

（5）MEMS組合慣性傳感器

MEMS組合慣性傳感器不是一種新的MEMS傳感器類型，而是指加速度傳感器、陀螺儀、磁傳感器等的組合，利用各種慣性傳感器的特性，可以實現(xiàn)全方位、立體運動的檢測。

組合慣性傳感器的一個被廣為熟悉的應用領域就是慣性導航，比如飛機/導彈飛行控制、姿態(tài)控制、偏航阻尼等控制應用、以及中程導彈制導、慣性GPS導航等制導應用。相關介紹可以查看《總算明白了，現(xiàn)代戰(zhàn)爭，打的都是傳感器》。

下圖是Silicon Sensing Systems推出的一款慣性組合傳感器（左）和MEMS芯片（右），包括一顆ASIC芯片，一顆MEMS陀螺儀芯片和一顆加速度計芯片，采用陶瓷基板和引線鍵合。

（6）MEMS磁傳感器

磁傳感器并非像名字顯示的那樣，只是為了測量磁場強度的器件，而是根據受外界影響，敏感元件磁性能變化，來檢測外部環(huán)境變化的器件，可檢測的外界因素有磁場、電流、應力應變、溫度、光等。

磁傳感器主要分為四大類，霍爾效應（Hall Effect）傳感器、各向異性磁阻（AMR）傳感器、巨磁阻（GMR）傳感器和隧道磁阻（TMR）傳感器。

其中，磁阻傳感器是第四代磁傳感技術，基于納米薄膜技術和半導體制備工藝，通過探測磁場信息來精確測量電流、位置、方向、轉動、角度等物理參數(shù)。

由于MEMS技術可以將傳統(tǒng)的磁傳感器小型化，因此基于MEMS的磁傳感器具有體積小、性能高、成本低、功耗低、高靈敏和批量生產等優(yōu)點，其制備材料以Si為主，消除了磁傳感器制備必須采用特殊磁性材料及其對被測磁場的影響。

下圖是一個3軸MEMS磁傳感器封裝結構圖，包含MEMS芯片和控制電路。

下圖是我國慣性傳感器龍頭企業(yè)美新半導體的一款AMR三軸磁傳感器，尺寸僅有3mmX3mmX1mm。

（7）MEMS微流控系統(tǒng)

MEMS器件有著廣泛的用途，主要分為傳感器和執(zhí)行器（致動器）兩大類。前面我們提到的都是屬于MEMS傳感器，微流控系統(tǒng)、射頻MEMS、MEMS噴墨打印頭、DMD(數(shù)字微鏡器件)等則屬于執(zhí)行器，是MEMS器件的重要組成。

MEMS微流控（microfluidics ）系統(tǒng)，就是一種流量控制，是精確控制和操控液體流動的裝置，使用幾十到幾百微米尺度的管道，一般針對微量流體，用于生物醫(yī)藥診斷領域的高精度和高敏感度的分離和檢測，具有樣品消耗少、檢測速度快、操作簡便、多功能集成、體小和便于攜帶等優(yōu)點。

MEMS微流控是純粹的機械結構，制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、紙等。

MEMS微流控芯片，直白點說，就是在一片很小的玻璃流道上進行生物化學反應，用芯片進行計算，用傳感器傳遞信號。

下圖是微流控芯片的結構示例，可以看到玻璃管道，微流控芯片又被稱為“芯片實驗室”，在基因測序等許多方面有廣闊應用前景，是一種極具前景的生物傳感器。

下圖為流體在微管道中流動、捕捉的動態(tài)過程。

（8）射頻MEMS

射頻MEMS器件分為MEMS濾波器、MEMS開關、MEMS諧振器等。

射頻前端模組主要由濾波器、低噪聲放大器、功率放大器、射頻開關等器件組成，其中濾波器是射頻前端中最重要的分立器件，濾波器的工藝就是MEMS，在射頻前端模組中占比超過50%，主要由村田制作所等國外公司生產。

因為沒有適用的國產5G MEMS濾波器，因此華為手機只能用4G，也是這個原因，可見MEMS濾波器的重要性。相關介紹可查看《華為也被卡住？錯過了芯片，中國千萬別再錯過MEMS了！》。

濾波器（SAW、BAW、FBAR等），負責接收通道的射頻信號濾波，將接收的多種射頻信號中特定頻率的信號輸出，將其他頻率信號濾除。以SAW聲表面波為例，通過電磁信號-聲波-電磁信號的兩次轉換，將不受歡迎的頻率信號濾除。

下圖是各種MEMS濾波器的微觀結構、封裝形態(tài)等信息，可以直觀了解各種MEMS濾波器的差別。

射頻開關（Switch），不是一個單純的開關，而是一個切換器，主要用于在射頻設備中對不同方向（接收或發(fā)射）、不同頻率的信號進行切換處理的裝置，實現(xiàn)通道的復用。

RF MEMS開關種類繁多，它們可以用不同的機制來驅動。由于功耗低、尺寸小的特性，靜電驅動常用于射頻微機電系統(tǒng)開關設計。MEMS開關也可使用慣性力、電磁力、電熱力或壓電力來控制打開或關閉。

下圖是“懸臂梁” RF MEMS開關。在這種配置中，固定梁懸掛在基板上，當梁被壓下時，梁上的電極接觸基板上的電極，將開關置于“開啟”狀態(tài)并接通了電路。

最新一代的RF MEMS開關大多是電容式器件。電容式開關使用電容耦合工作，非常適合高頻率的射頻應用。
在操作過程中，力被施加到像橋一樣懸在基板上的梁。當梁被該力（例如靜電力）拉下時，會接觸到基板上的電介質，使信號終止。橋型電容開關的橫截面如圖 3 所示，其中使用CoventorMP? 3D所建的電容式RF MEMS開關模型處于未變形狀態(tài)，如圖 4 所示。

振蕩器/諧振器（Oscillator/Resonator），振蕩器是將直流電能轉變成交流電能的過程，用來產生一定頻率的交流信號，屬于有源器件。諧振器是電路對一定頻率的信號進行諧振，主要是用來篩選出某一頻率，屬于無源器件。

下圖是MEMS諧振器與傳統(tǒng)石英晶振的對比，MEMS諧振器具有更高的穩(wěn)定性、可靠性以及更小的體積。

（9）DMD（數(shù)字微鏡器件）

DMD（Digital Micromirror Device，數(shù)字微鏡器件）是光學MEMS的重要類別，主要應用于DLP（Digital Light Processing，數(shù)字光處理）領域，即影像的投影。

投影，簡單理解就是各種投影儀，將數(shù)字畫面信號，通過一系列的匯聚、反射，投射到外部的過程。

在投影系統(tǒng)中，DMD芯片是其中的核心部件之一。

DMD技術通過數(shù)字信息控制數(shù)十萬到上百萬個微小的反射鏡，將不同數(shù)量的光線投射出去。每個微鏡的面積只有16×16微米，微鏡按矩陣行列排布，每個微鏡可以在二進制0/1數(shù)字信號的控制下做正10度或負10度的角度翻轉。

目前DMD芯片全世界只有美國的TI（德州儀器）可以生產。

下圖是DMA芯片的封裝結構示意圖，可以點擊放大查看。

下圖是DMD芯片里，每個微鏡的運動情況，而這樣的微鏡，在一個DMD芯片里面數(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。

（10）MEMS噴墨打印頭

MEMS噴墨打印頭其實和上文中介紹的MEMS微流控系統(tǒng)是同一類型，均屬于MEMS微流控領域的應用，不過不同的是，MEMS微流控系統(tǒng)主要用在生物檢測上，MEMS噴墨打印頭是用在打印機上，控制油墨的噴吐。

簡單點說，噴墨打印頭的作用是擠出墨汁，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。

參考資料

[1] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1765063818902937423

[2] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1756539385528361994&wfr=spider&for=pc

[3] https://www.zhihu.com/question/587957325/answer/2977142773

[4] https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/191230-c05143ae.html