MEMS传感器：微制造革命的艺术与科技交响

MEMS传感器基本构成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。

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。

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。

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。

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1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。下图2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。

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。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。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。

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。

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。右图，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。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。

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芯片微观结构，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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2024全国化学传感器创新研究与发展研讨会

2024全国化学传感器创新研究与发展研讨会

本次会议聚焦先进化学传感器、高灵敏生命分析、成像技术、生物传感器等热点问题展开讨论。组委会经协商，现决定2024全国化学传感器创新研究与发展研讨会定于2024年11月22日-24日在厦门市召开。会议将邀请国内众多知名专家学者，共同探讨化学传感领域的最新研究成果和发展趋势。分享报告人课题组近期科研进展。并欢迎青年学者及研究生进行宣讲或者展示所在团队最新科研动态，促进思想碰撞和交流合作。