5种商用最成功的MEMS传感器，颠覆了这些行业

1959年美国物理学家Richard Feynman（理查德费曼），在他著名的演讲“底部有足够的空间（There's Plenty of Room at the Bottom）”中，提出了将机器小型化到原子和分子尺度的想法。然而，直到 20 世纪 80 年代和 90 年代，MEMS 技术才开始得到开发和商业化。   1962年，微小器件的先驱——第一个硅微压力传感器问世，开创了MEMS技术的先河，也是MEMS微传感器的起始点。霍尼⻙尔研究中⼼和⻉尔实验室的相关论文显示，他们发明了第⼀个硅隔膜压⼒传感器和应变计。   此后，⼈们对MEMS传感器技术的兴趣急剧增⻓，到 1960 年代后期，许多美国先驱公司已经开始生产第一批MEMS压力传感器。       MEMS技术发展迅速，对现今传感器的普及起到关键作用，如果没有MEMS技术，传感器的微型化、集成化、低功耗等将难以做到，而物联网、智能手机、汽车等发展也将严重滞后。   如今，多种MEMS传感器及执行器取得了商业化的成功，替代传统器件，得到大规模应用，每年全球出货量数以百亿计，本文我们来看看这些取得巨大成功的MEMS传感器及执行器器件。   MEMS麦克风：一经推出就在移动设备上大受欢迎   1961年，著名的贝尔实验室研发出第一款驻极体（ECM）麦克风，利用声音作用在振膜上电容大小的变化，将声音转换为电信号。   之后驻极体麦克风在全国大规模流行了40多年的时间，直到2003年，市场上第一款商用MEMS麦克风产品问世——来自Knowles（楼氏电子）的SiSonic麦克风。   此时，市场上移动手机逐渐普及，并且越做越轻薄，传统的驻极体麦克风无法满足可移动设备对麦克风轻、薄、小的要求，MEMS麦克风的问世获得手机厂商的青睐。   2003年，楼氏电子率先将MEMS麦克风出货给日本京瓷，应用于手机中，同一年，摩托罗拉在其超薄手机RAZR中使用楼氏电子的MEMS麦克风，目前楼氏电子已卖出超百亿颗SiSonic麦克风。       ▲来源：Digitimes   MEMS麦克风在市场上大获成功，基本在市场上——尤其是移动设备市场，全面替代传统的驻极体麦克风，成为市场主流，我们每台手机中，至少都有3颗以上的MEMS麦克风。   据YoleDeveloppement数据统计，2015年开始MEMS麦克风的出货量逐步超过ECM——此时MEMS麦克风商业化仅12年，此后MEMS麦克风出货量连年两位数增长。       据Yole的数据显示，凭借MEMS麦克风的先发优势，楼氏电子长期以来占据全球MEMS麦克风第一厂商宝座，直至2020年被歌尔微超越，歌尔微、瑞声科技、敏芯股份等MEMS麦克风厂商的崛起侧面折射出中国MEMS产业的发展。     ▲来源：歌尔微电子   MEMS惯性传感器：让移动设备的惯性测量成为可能   你知道吗？世界上第一个真正大规模商业化的 MEMS 传感器是加速度计，它由美国ADI公司（亚德诺）于 1991 年发明。该传感器基于电容传感原理，传感器的输出信号可用于测量加速度或倾斜度。   这个MEMS加速度传感器主要用于汽车安全气囊中，此前汽车安全气囊用传统传感器一只售价20美元，而ADI的MEMS加速度传感器售价约为每个5美元，这使安全气囊电子装置的成本降低了75%左右。 此后，MEMS惯性传感器快速普及，在汽车等许多领域替代了传统惯性传感器，并创造了更多的应用场景——譬如手机、智能手表、TWS耳机等可移动设备的惯性测量成为可能。   MEMS 惯性传感器主要包括 MEMS 陀螺仪、MEMS 加速度计、MEMS-IMU（惯性测量单元）。   在手机中，MEMS加速度计负责感知运动状态，通过测量物体在三个方向上的加速度，实现屏幕自动旋转、计步器、游戏控制等多种功能。   目前，市场上最成功的MEMS加速度计供应商是博世、意法半导体、村田制作所、恩智浦和亚德诺等，其中，博世和意法半导体分别以32%和21%市场份额领先。     陀螺仪通过测量角速度来感知物体的旋转状态，自Sperry发明全球第一个实用的陀螺仪至今，陀螺技术已经经历了近百年的发展，是惯性技术的核心。   1989年采用MEMS技术的第一个微机械陀螺问世，漂移率达10度/小时。相比其他陀螺仪，MEMS 陀螺仪的成本更低、体积更小、可靠性更高且更易于批量化生产，使在移动设备上使用陀螺仪成为可能。       iPhone 4是世界上第一台内置MEMS三轴陀螺仪的手机，可以感知来自六个方向的运动、加速度、角度变化   在智能手机中，陀螺仪与GPS、地磁传感器等配合，可以实现精确的定位和导航功能，同时游戏方面的重力感应特性更加强悍和直观，游戏效果将大大提升。这个功能可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候，凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。而三轴陀螺仪将会与iPhone原有的距离感应器、光线感应器、方向感应器结合起来让iPhone 4的人机交互功能达到了一个新的高度。         如今，随着无人机、自动驾驶技术的兴起，MEMS陀螺仪的应用越来越广，为这些设备提供稳定可靠的姿态控制。   MEMS陀螺仪的主要厂商有TDK、亚德诺、霍尼韦尔、博世、意法半导体等。   MEMS-IMU（惯性测量单元）由MEMS加速度计和MEMS陀螺仪组成，具备加速度和角速度测量能力，应用领域非常广泛 ，美国Draper 实验室于 1994 年研制出了首台微机电惯性测量组合。     ▲InvenSense（TDK）的九轴惯性测量单元内部：陀螺仪 (右)和加速度计(左)     MEMS IMU的发展早期主要受军工需求推动，后续逐步推广至民用，现已于消费电子、汽车、工业自动化等领域中实现广泛应用。   目前，随着MEMS IMU技术的快速发展和成本下降，MEMS IMU有逐步替代独立的MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的趋势。   MEMS压力传感器：带动压力检测向微小化延伸   压力是是各种物理量中，排名第二大的测量值，如前文所述，世界上第一个MEMS传感器为硅微压力传感器，于1962年问世，由霍尼韦尔研发。   目前霍尼韦尔的压力传感器产品覆盖了各种各样的场景，其绝压、表压、真表压、小型压力传感器等各种压力传感器，能在世界上最恶劣的环境下，满足最严苛的测试和测量规格，包括一般的工业过程需求和专用于危险区域的压力传感器。     ▲霍尼韦尔工业压力传感器，来源：霍尼韦尔官网   相比传统的压力传感器，MEMS压力传感器具有无机械疲劳或老化、输出信号稳定、灵敏度高、体积小、适合批量大规模生产（成本优势）等优点，随着移动设备、汽车等发展MEMS压力传感器越来越受到欢迎。   在医疗健康领域，压力传感器被广泛应用于血压计、呼吸机、监护仪等设备中，为医生提供准确的生理参数数据。此外，随着可穿戴设备的兴起，压力传感器也被用于智能手环、智能手表等设备中，实现心率监测、睡眠分析等功能。       ▲MEMS压力传感器应用，来源：Yole   MEMS压力传感器的一个显著优点，是其体积可以做到非常小，从而推动了压力传感器在小型化移动设备、医疗等创新领域的应用。   譬如，此前泰科电子推出了业界首创微型侵入式MEMS压力传感器，细如发丝，推动了压力感测在医疗设备领域的应用，今后在诊断导管、治疗导管、一次性窥镜、活检针、消融设备等微创医疗设备上都可以应用该IntraSense系列传感器，医生进行相关微创手术就不需要仅凭借经验进行操作，可以根据准确的压力数值去判断，这将对现有医疗行业的数字化产生巨大变革。     ▲泰科电子突破性超小体积压力传感器与铅笔对比，来源：TE泰科电子   MEMS DLP芯片：巅峰传统投影设备，开拓数字激光投影时代   DLP投影技术是显示领域划时代的革命，就好像CD在音频领域产生的巨大影响一样，DLP为视频投影显示翻开新的一页。   数字微镜装置（DMD，或称为DLP芯片）的发明者——德州仪器 Larry J. Hornbeck博士，荣获2014年美国电影艺术与科学学院奖（即奥斯卡奖）科学技术奖，将百年历史的电影产业转化为数字电影技术所作出的杰出贡献受到表彰！足见MEMS DLP芯片技术对影像产业的重要影响力。       DLP（Digital Light Processing，数字光处理）芯片的核心器件是DMD（Digital Micromirror Device，数字微镜器件），是光学MEMS的重要类别。   1977年，DLP芯片的研发在德州仪器中央研究实验室正式启动。当时，Hornbeck首次利用“可变形反射镜”以模拟技术的方式对光线进行控制，但所应用的模拟技术始终难以达到预期要求。直到1987年他在技术上获得突破，基于MEMS技术发明了DMD（即DLP芯片），这种情况才得以改观。   此后，DLP技术投影仪长期占据超过60%以上市场份额，是市场主流投影技术方案，这一情况直到近两年才有所变化。   DLP芯片即在一块硅基中，使用MEMS技术，批量制造成千上万个“镜子”——微镜，下图是DMA芯片的封装结构示意图，可以点击放大查看。   在一个DLP芯片里面微镜数以百万计，每一面反射镜都可以独立反转运动，正负方向翻转，每秒钟翻转次数高达数万次。下图是DMD芯片每一个微镜翻转，折射光线的过程，每一片微镜都可以单独控制，折射相应的光线，从而形成不同的色彩、明暗，每一个微镜就如同我们电视的每一个像素点。     目前，DLP芯片技术大都为为德州仪器独家专利，据Yole的数据显示，凭借DLP芯片的营收，德州仪器占据全球光学MEMS市场近80%份额。     ▲2022全球光学MEMS市场份额，来源：Yole   MEMS喷墨头：三分打印天下，还可以打印DNA结构   在喷墨打印机中，MEMS喷墨打印头是最核心的部件，其作用是挤出墨汁，有的是利用压电薄膜震动来挤压墨水，有的是利用加热气泡变大，将腔体内的墨汁挤出。   有趣的是，以这两种MEMS喷墨技术，形成了打印机两大阵营，以爱普生、Brother为代表的微压电打印技术，和使用热发泡打印技术的惠普、佳能等厂商，互为对手。   目前，喷墨打印机与激光打印机、针式打印机三分天下，是主流的打印技术方案之一。     凭借MEMS喷墨打印头的出货量，惠普、爱普生、佳能等打印机厂商长期进入全球MEMS器件出货量TOP 30名单中。   ▲来源：Yole   此外，除了打印文字照片外，在医学生物研究领域，MEMS喷墨技术还被用于DAN阵列的构建，将合成试剂代替传统的墨水，   在DNA合成技术中，喷墨打印合成技术因其高通量、高效率、低成本成为最受关注的焦点，并极大推动了DNA合成的发展，近年来相关专利数量也大幅提升。   结语   MEMS技术是21世纪最具革命性的高新技术之一，从本文中，我们可以看到MEMS麦克风、惯性传感器、压力传感器、DLP芯片、喷墨头等MEMS器件，在各领域的颠覆性应用，MEMS器件的出现大大推动和扩展了传统器件的应用边界。   除文中提到的MEMS传感器和执行器外，MEMS滤波器、MEMS热电堆等也被广泛使用。同时，新的MEMS技术，如MEMS扬声器、MEMS时钟也正展现蓬勃的发展势头，未来有望颠覆相关赛道。     审核编辑 黄宇