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和商業化。 1962年，微小器件的先驅——第一個硅微壓力傳感器問世，開創了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，許多美國先驅公司已經開始生產第一批MEMS壓力傳感器。 MEMS技術發展迅速，對現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，而物聯網、智能手機、汽車等發展也將嚴重滯后。 如今，多種MEMS傳感器及執行器取得了商業化的成功，替代傳統器件，得到大規模應用，每年全球出貨量數以百億計，本文我們來看看這些取得巨大成功的MEMS傳感器及執行器器件。 MEMS麥克風：一經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YoleDeveloppement數據統計，2015年開始MEMS麥克風的出貨量逐步超過ECM——此時MEMS麥克風商業化僅12年，此后MEMS麥克風出貨量連年兩位數增長。 ? ? 據Yole的數據顯示，憑借MEMS麥克風的先發優勢，樓氏電子長期以來占據全球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產業的發展。 ? ? ▲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模商業化的 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慣性傳感器，并創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，通過測量物體在三個方向上的加速度，實現屏幕自動旋轉、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，自Sperry發明全球第一個實用的陀螺儀至今，陀螺技術已經經歷了近百年的發展，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，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，為這些設備提供穩定可靠的姿態控制。 ? 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部：陀螺儀 (右)和加速度計(左) ? ? MEMS IMU的發展早期主要受軍工需求推動，后續逐步推廣至民用，現已于消費電子、汽車、工業自動化等領域中實現廣泛應用。 ? 目前，隨著MEMS IMU技術的快速發展和成本下降，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。 目前霍尼韋爾的壓力傳感器產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境下，滿足最嚴苛的測試和測量規格，包括一般的工業過程需求和專用于危險區域的壓力傳感器。 ▲霍尼韋爾工業壓力傳感器，來源：霍尼韋爾官網 相比傳統的壓力傳感器，MEMS壓力傳感器具有無機械疲勞或老化、輸出信號穩定、靈敏度高、體積小、適合批量大規模生產（成本優勢）等優點，隨著移動設備、汽車等發展MEMS壓力傳感器越來越受到歡迎。 在醫療健康領域，壓力傳感器被廣泛應用于血壓計、呼吸機、監護儀等設備中，為醫生提供準確的生理參數數據。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、智能手表等設備中，實現心率監測、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、醫療等創新領域的應用。 譬如，此前泰科電子推出了業界首創微型侵入式MEMS壓力傳感器，細如發絲，推動了壓力感測在醫療設備領域的應用，今后在診斷導管、治療導管、一次性窺鏡、活檢針、消融設備等微創醫療設備上都可以應用該IntraSense系列傳感器，醫生進行相關微創手術就不需要僅憑借經驗進行操作，可以根據準確的壓力數值去判斷，這將對現有醫療行業的數字化產生巨大變革。 ▲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：巔峰傳統投影設備，開拓數字激光投影時代 DLP投影技術是顯示領域劃時代的革命，就好像CD在音頻領域產生的巨大影響一樣，DLP為視頻投影顯示翻開新的一頁。 數字微鏡裝置（DMD，或稱為DLP芯片）的發明者——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業轉化為數字電影技術所作出的杰出貢獻受到表彰！足見MEMS DLP芯片技術對影像產業的重要影響力。 DLP（Digital Light Processing，數字光處理）芯片的核心器件是DMD（Digital Micromirror Device，數字微鏡器件），是光學MEMS的重要類別。 1977年，DLP芯片的研發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，每秒鐘翻轉次數高達數萬次。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Yole的數據顯示，憑借DLP芯片的營收，德州儀器占據全球光學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，將合成試劑代替傳統的墨水， ? 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合成的發展，近年來相關專利數量也大幅提升。 ? 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器件的出現大大推動和擴展了傳統器件的應用邊界。 除文中提到的MEMS傳感器和執行器外，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時鐘也正展現蓬勃的發展勢頭，未來有望顛覆相關賽道。 審核編輯 黃宇