MEMS传感器的工作原理和应用

你知道智能手环是如何进行步数统计，从而计算你的运动消耗的吗？

你知道人们是如何通过物联网监测森林野火，从而减缓全球变暖的吗？

你知道安全气囊是如何准确判断弹出时机，从而挽救千万人生命的吗？

其实这一切背后的大功臣，只是一颗小小的MEMS传感器。

MEMS的全称是微型电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System），是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。而MEMS传感器就是在微电子和微机械加工技术基础上，根据各种需求结合电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术制造出来的新型传感器。

这些传感器的内部结构甚至比头发丝还要细，它们可以将微观运动转化为电信号，在进行简单的处理后，把信号传输给不同的控制器。它们让电子系统像器官一样学会看、听、闻和感觉，可以说，它们就是“机器的感官”。

博世MEMS历史

早在1970年，博世就开始了MEMS在发动机管理系统中压力传感器应用的尝试与研究。经过长时间的技术积淀，在1992年，博世的科学家们初步研发出一种可以在硅片上进行高精度蚀刻的技术工艺并提交了专利申请。终于在1994年，这项专利正式获批，这种技术工艺就是深层反应离子蚀刻技术（DRIE）。凭借其极高的精度，我们可以在硅片上生成几乎任何几何形状的结构。它的诞生是MEMS传感器研发生产里程碑式的突破，它使得工程师能够缩小传感器的尺寸，并在提高精度的同时极大地降低了成本，成为了博世建立微机电系统（MEMS）传感器业务的基础。因此，DRIE也被称为“博世工艺”，博世将这一工艺授权给其他半导体厂商，成为了微电子领域的全球标准。

1995年，在“博世工艺”的助力下，博世加速推进车用MEMS传感器的研发进程，首款用于发动机管理的压力传感器投入量产，为现代移动技术的进一步发展铺平道路。1998年，博世推出了首款用于ESP电子车身稳定系统的MEMS偏航率传感器。随着驾驶辅助技术的发展和成熟，ESP逐渐成为汽车中的标准配置。研究表明，这样的系统每年可以挽救1万多条生命，而 MEMS传感器就是这背后不为人知的大功臣。

MEMS传感器工作原理和应用

看到这，你可能会提出这样的疑问：这个小小的MEMS传感器究竟是如何拯救生命的呢？

让我们把镜头放大，再放大，把目光转向这个“大功臣”的内部，仔细地看看它的结构。

以应用在安全气囊系统中的博世高加速度传感器SMA7xy为例，我们能看到，这个小小的传感器主要分为两个部分：左侧是微机械构成的梳状结构，右侧是信号处理器。其实，这个梳状结构就是MEMS传感器感知加速度的关键所在。在这个“小梳子”里，左右两侧的极板是固定的，而中间的“王”字形结构即质量块的两端连接着弹簧，是可活动的。在车辆行驶的过程中，当加速度在特定方向作用时，质量块会随着加速度的变化在极板间来回运动，这就引起了质量块和极板之间电容的改变。所有电容的变化都会被记录下来，从梳状结构传递给信号处理器。通过电容的变化，处理器就能得出对应的加速度，并将信号进一步传递给控制系统，从而下达相应的指令。

和加速度传感器一样，不同类型的MEMS传感器都是通过不同的微机械结构，并根据需求结合各种学科技术来实现各种感知功能。它们凭借微小的身材和精细的感知，被应用在各种各样的汽车系统中。例如应用在自动驾驶系统的博世高性能惯性传感器SMU2xy，应用在发动机控制系统中的博世大气压力传感器SMP581，应用在导航系统中的博世组合惯性传感器SMI230以及应用在主动悬架系统中的博世低加速度传感器SMA73x等等。今天，每一辆现代汽车平均包含五个博世MEMS传感器。

除了车用领域，博世还发现了MEMS传感器在其他应用中不断增长的潜力，尤其是在消费电子产品中。2005年，博世成立了博世传感技术有限公司，开始在新品层出不穷的消费电子市场中开疆拓土。博世的MEMS传感器也被应用在智能手机和例如智能手表、健身臂带和智能眼镜等可穿戴设备中，用来感知和评估海量的信息。现在，在全球范围内，每一秒钟都有智能手机正在使用博世MEMS传感器。

博世是全球领先的MEMS供应商

自MEMS问世以来，博世一直走在MEMS技术前沿，被全球知名咨询机构IHS Technology和Yole Développement认证为全球领先MEMS供应商。

自1995年开始生产以来，博世已经生产了超过100亿颗MEMS传感器。现在，博世每天生产超过400万个MEMS传感器。在前沿技术与工艺的基础上，博世持续推动技术创新，不断地减少尺寸、重量、功耗和成本。目前，博世始终具备着最好的MEMS创新能力，拥有以及申请了超过1000项MEMS技术专利。在刚开始生产MEMS传感器时，首款加速度传感器的边缘长度为133毫米。而如今，博世产品组合中最小的MEMS传感器的边缘长度仅为1.56毫米，比一个针头还要小，80多个这样的微芯片可以平铺在一个拇指指甲上。这表明了在约25年内，传感器尺寸缩小了85倍。

博世对MEMS的研究涵盖了整个价值链——从生产工艺的开发、MEMS传感器研发设计，到生产、封装、测试和销售，这使得博世对这些微型的技术奇迹和它们的复杂的功能研发和实现有着深刻的了解。未来，博世也将致力创新，持续革新技术和产品，用“博世工艺”进一步塑造明日的智能出行和智慧生活。

原文标题：半导体 | 用“博世工艺”孕育“机器感官”

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审核编辑：汤梓红