前言
如今，傳感器朝著微型化、低功耗、高性能和智能化的趨勢不斷髮展，伴隨著物聯網產業的發展，傳感器也迎來了新的發展機遇，傳感器的類型也是多樣化的。MEMS傳感器是在微電子技術基礎上發展起來的多學科交叉的前沿研究領域。經過幾十年的發展，已成為世界矚目的重大科技領域之一，MEMS傳感器無疑將會是未來此行業幾年的主流。
MEMS傳感器發展背景概述
MEMS傳感器發展經歷了三個階段：
1990~2000年的汽車電子化浪潮，點燃了MEMS傳感器的需求；2000~2010年的消費電子浪潮，推動MEMS傳感器呈現多品類、多功能一體化的發展態勢；2010年至今的物聯網及人工智能浪潮，帶動了MEMS傳感器單品放量、軟硬協同化發展。
微型機電系統（MEMS）和傳感器（Sensor），正如潮水般湧入人們日常使用的各類電子產品中。在智能手機上，MEMS傳感器左右著聲音性能、場景切換、手勢識別、方向定位等；在汽車上，MEMS傳感器藉助氣囊碰撞傳感器、胎壓監測系統（TPMS）和車輛穩定性控制以增強車輛的性能；在醫療領域，MEMS傳感器使微型胰島素注射泵成為可能，還使心臟搭橋移植和人工細胞組織成為現實中可實際使用的治療方式；在可穿戴應用中，MEMS傳感器在幫助人們進行運動追蹤、心跳速率測量等；在智慧城市建設中，MEMS傳感器通過協助監測基礎設施的穩定性而實現快速的反饋。
總之，MEMS傳感器正日益滲入到車聯網、智能家居、智能電網乃至整個物聯網應用中，未來將會有更廣闊的應用前景!
MEMS傳感器的工作原理及特點
一、MEMS傳感器的工作原理
MEMS的全稱是微型電子機械系統(Micro-ElectroMechanicalSystem)，核心功能是將物理信號轉換為電子設備能夠識別的電信號，主要用於傳感器。微機電系統是指可批量製作的，將微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等於一體的微型器件或系統。你可以把它理解為利用傳統的半導體工藝和材料，用微米技術在芯片上製造微型機械，並將其與對應電路集成為一個整體的技術。所以它是以半導體制造技術為基礎發展起來的一種先進的製造技術平臺。
MEMS技術採用了半導體技術中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現有技術和材料，因此從製造技術本身來講，MEMS中基本的製造技術是成熟的。但MEMS更側重於超精密機械加工，並要涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面也擴大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學的各分支。
MEMS傳感器是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中後期崛起以來發展極其迅速，被認為是繼微電子之後又一個對國民經濟和軍事具有重大影響的技術領域，將成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。
二、MEMS傳感器的特點
1.微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。
2.以硅為主要材料，機械電器性能優良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。
3.批量生產：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時製造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產可大大降低生產成本。
4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執行器集成於一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成複雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可製造出可靠性、穩定性很高的MEMS。
5.多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、製造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，並集約了當今科學技術發展的許多尖端成果。
MEMS發展的目標在於，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統，開闢一個新技術領域和產業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務，也可嵌入大尺寸系統中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀MEMS將逐步從實驗室走向實用化，對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展產生重大影響。
MEMS傳感器的分類
一、傳感
傳感MEMS技術指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、溼度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來將備受世界各國的重視。
二、生物
生物MEMS技術是用MEMS技術製造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上製造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件並集成為多功能芯片。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和後處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。
生物MEMS系統有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。
三、光學
隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一領域是與光學相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術，開發新型光器件，稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:
一是基於MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調製，典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變，較成功的有光開關調製器、光濾波器及複用器等光通信器件。
MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發。
四、射頻
射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。
MEMS傳感器的種類繁多，分類方法也很多。下面是按照工作原理分類如下：
MEMS傳感器的應用領域
作為獲取信息的關鍵入口，MEMS傳感器已在汽車、消費電子、航空航天、生物醫學等領域中得到了廣泛的應用。
醫療領域
MEMS傳感器應用於無創胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術性很強的工作，由於胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。而具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地區無法普及。此外，超聲振動波作用於胎兒，會對胎兒產生很大的不利作用。儘管檢測劑量很低，也屬於有損探測範疇，不適於經常性、重複性的檢查及家庭使用。
基於VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無創胎心檢測方法，研製出一種簡單易學、直觀準確的介於胎心聽診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。通過加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經前置放大用的儀器放大器實現差值放大。然後進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最後輸出處理結果。
基於MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進後能夠以此為終端，做一個遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號採集分析監護主機給出自動分析結果，醫生對該結果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫院來。該技術有利於孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利於胎兒和孕婦的健康。
MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內壓、顱內壓、子宮內壓等在內的人體器官壓力水平。MEMS慣性器件最主要用於心臟病治療設備。MEMS圖像傳感器普遍應用於包括CT掃描、內窺鏡在內的醫學成像設備中。MEMS技術在傳感和執行功能上的優勢，使其在醫療健康行業的應用廣泛增長。
消費電子領域
隨著消費電子領域大發展及產品創新不斷湧現，特別是受益於智能手機和平板電板的快速發展，消費電子已經取代汽車領域成為MEMS最大的應用市場。
MEMS傳感器在消費電子產品中可用於運動/墜落檢測、導航數據補償、遊戲/人機界面交互、電源管理、GPS增強/盲區消除、速度/距離計數等，應用較多的品類為MEMS麥克風、3D加速器、MEMS 射頻組件、GPS陀螺儀、小型燃料電池與生化芯片等。多種MEMS傳感器的綜合應用可增加電子設備的娛樂性及智能性，改善交互性能，大大提升了用戶體驗。
在手機拍照功能上，MEMS更是發揮著重要的作用。在MEMS Drive出現之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現防抖(簡稱鏡頭防抖技術)，受到很大的侷限。而另一個在市場上較高端的防抖技術：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動，但由於這個技術體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上應用。
憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術MEMS Drive類似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達，帶動圖像傳感器在三個旋轉軸移動。MEMS?Drive 的防抖技術是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動，依靠精密算法，計算出馬達應做的移動幅度並做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。
汽車電子領域
汽車電子產業被認為是MEMS傳感器的第一波應用高潮的推動者，MEMS傳感器在汽車上應用的快速發展主要是受益於各國政府全面推出汽車安全規定(比如要求所有汽車採用TPMS系統)和汽車智慧化的發展趨勢。全球平均每輛汽車包含10個傳感器，在高檔汽車中，大約採用25至40只MEMS傳感器，車越好，所用的MEMS就越多，BMW740i汽車上就有70多隻MEMS。
MEMS傳感器可滿足汽車環境苛刻、可靠性高、精度準確、成本低的要求。其應用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(ABS)、電子車身穩定程序(ESP)、電控懸掛(ECS)、電動手剎(EPB)、斜坡起動輔助(HAS)、胎壓監控(EPMS)、引擎防抖、車輛傾角計量和車內心跳檢測等等。下面主要介紹兩種汽車電子上常用的MEMS傳感器。
MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。這種傳感器用單晶硅作材料，以採用MEMS技術在材料中間製作成力敏膜片，然後在膜片上擴散雜質形成四隻應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。
而MEMS加速度計的原理是基於牛頓的經典力學定律，通常由懸掛系統和檢測質量組成，通過微硅質量塊的偏移實現對加速度的檢測，主要用於汽車安全氣囊系統、防滑系統、汽車導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產品。
航空航天領域
MEMS在航空航天領域主要有狀態傳感器和環境傳感器之分。狀態傳感器主要針對飛機姿態、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進行監測。環境傳感器主要針對溫溼度、氧氣濃度、流量大小等方面進行測量。通過提供有關航天器的工作信息，MEMS傳感器起到故障診斷、提供決策依據、保障正常飛行的作用。近期事故頻出已全球停飛的波音737MAX飛機，故障主要原因之一是迎角傳感器產生讀數輸出錯誤，導致了系統不能起到嚴格的保護作用。小小傳感器對航空航天安全的重要性可見一斑。
運動追蹤系統
在運動員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結果分析，反覆比較，以便提高運動員的成績。隨著MEMS技術的進一步發展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。
在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數據外，還可以記錄使用者的位置和距離。在衝浪方面也是如此，安裝在衝浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、衝浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。
MEMS傳感器的未來展望
各大MEMS企業在前期增長略低於預期，反映出半導體行業正在進行溫和的調整。但隨著人工智能、5G、物聯網等新興產業火熱發展，消費電子、智能汽車等市場需求逐步復甦，新產品、新功能、新領域不斷拓展，MEMS市場將會在未來實現顯著增長！
另外從產業鏈環節看，國內缺乏對MEMS相關關鍵技術的自主研發和產業化能力。從企業規模看，2019年我國MEMS傳感器製造企業大約有200多家，大多屬於初創類中小型企業。從產品結構看，國內MEMS公司在營業規模、技術水平、產品結構等與國外有明顯差距，主要產品集中在中低端的傳統領域。
儘管我國MEMS傳感器廠商面臨挑戰諸多，但從上游設計、中游製造、下游封測等領域國產替代的空間巨大。中國MEMS發展任重道遠，中國應以巨大的市場應用為牽引，不斷彌合人才缺口，研判和把握未來趨勢，錨定自主創新之路，實現規模化崛起和趕超。
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