最近10年，隨著消費電子，尤其是智能手機和穿戴電子的發(fā)展，使MEMS傳感器真正的在全球火熱起來，大量的應(yīng)用涌現(xiàn)，MEMS傳感器真正“飛入尋常百姓家”。
MEMS全稱MicroElectromechanical System,微機電系統(tǒng)。MEMS最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。例如，最近火爆的做胃鏡的無痛小膠囊，5G路燈，骨傳感耳機，智能家居中洗衣機與晾衣架之間的智能系統(tǒng)，電梯維護(hù)等等。
現(xiàn)在，我們已經(jīng)接受了低成本，高性能微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的可用性，但并非總是如此。
從首個大眾市場的MEMS傳感器開始
MEMS的完整市場始于1991年，當(dāng)時ADI公司在模擬，固態(tài)物理學(xué)，工藝技術(shù)，封裝等許多領(lǐng)域進(jìn)行了約十年的艱苦技術(shù)戰(zhàn)后，終在1991年宣布推出（現(xiàn)已淘汰）ADXL50單軸加速度計，并在1993年實現(xiàn)量產(chǎn)。
ADXL50單軸加速度計尺寸為5毫米（mm）×5毫米，在當(dāng)時屬于一種破壞性創(chuàng)新，它可用于單個非常特殊的應(yīng)用：觸發(fā)剛剛引入但未強制使用的汽車安全氣囊。全模擬ADXL50是首個大眾市場MEMS加速度計，它提供了一個經(jīng)過全面處理的模擬輸出，可以將其數(shù)字化或由比較器電路直接使用。
在MEMS傳感器問世之前，大多數(shù)安全氣囊是由Allen K. Breed在1967年開發(fā)的傳感器觸發(fā)的——碰撞減速會導(dǎo)致球與固定磁鐵分離，并觸發(fā)一個小的電氣開關(guān)，該電氣開關(guān)又關(guān)閉了一個電路，然后點燃了安全氣囊中的化學(xué)物質(zhì)。
相較于Allen K. Breed的傳感器，首款MEMS傳感器體積更小，價格更便宜且易于包裝，但更重要的是，它將加速度感測從是/否場景更改為傳感器可以提供感測值模擬流的場景。讓實際的加速度波形成為觸發(fā)算法的一部分。
盡管ADLX50到1999年已經(jīng)過時，被更先進(jìn)的MEMS單元所取代，但它的廣泛影響顯而易見。之后MEMS傳感器發(fā)展不僅實現(xiàn)了高可靠性的傳感器自校準(zhǔn)功能（對于大多數(shù)傳感器而言至關(guān)重要）；還增加了內(nèi)部信號調(diào)理，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），微控制器接口和其他易于使用的功能。
很快，供應(yīng)商開始提供兩軸甚至三軸加速度計，首先是微型模塊，然后是單片設(shè)備。然后，諸如真實運動感測甚至導(dǎo)航之類的應(yīng)用變得可行（基本物理學(xué)：積分加速度確定速度；積分速度確定位移）。
不久后，這些MEMS設(shè)備又增加了振動式MEMS音叉，并成為陀螺儀和全慣性測量單元（IMU），在許多情況下，它們可以代替指導(dǎo)宇航員使用的大型IMU（> 100磅，> 200瓦），基于MEMS傳感器的IMU可小巧得多。微型IMU可用于以前無法接觸的加速/定位應(yīng)用，也可作為無人機的制導(dǎo)核心。
首個走入大眾市場的MEMS傳感器是加速計，并在之后的一段發(fā)展時間里，大家似乎都把MEMS傳感器聚焦在加速計的應(yīng)用中。但事實上，目前MEMS器件已用于許多與加速度無關(guān)的應(yīng)用。
例如，德州儀器（TI）在數(shù)字光處理（DLP）IC中通過微鏡率先開發(fā)了轉(zhuǎn)向燈，最初瞄準(zhǔn)的是大屏幕顯示器和微型投影儀。它的DLP6500具有1080p（1920×1080）陣列，具有超過200萬個微鏡，可用作空間光調(diào)制器（SLM），以控制入射光的幅度，方向和/或相位。
此外，TI還提出將汽車的前大燈對準(zhǔn)方向盤。它的DLP5531是基于MEMS的電子轉(zhuǎn)向設(shè)備，無需齒輪，電動機和軸承，并具有完全的可編程性，并且每個前燈的高分辨率可尋址像素超過一百萬。
對于非光學(xué)RF世界，ADI公司提供四極單擲（4PST）MEMS懸臂開關(guān)ADGM1004，該開關(guān)可處理帶寬為DC至13吉赫茲（GHz）的RF信號。借助其帶有金屬尖端的雙向接觸開關(guān)，在電路中使用它可以將RF信號路由到四個輸出端口之一，或者選擇四個輸入信號之一進(jìn)行輸出。這些開關(guān)在RF信號鏈上的許多點或測試陣列和矩陣中得到廣泛使用。
ADI公司擴展了MEMS技術(shù)的基礎(chǔ)，創(chuàng)建了一種懸臂結(jié)構(gòu)，該懸臂結(jié)構(gòu)為4PST RF開關(guān)提供了金屬對金屬觸點閉合，帶寬為DC至13 GHz
MEMS傳感器“飛入尋常百姓家”
目前，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產(chǎn)工作，已研制出包括微型壓力傳感器、加速度傳感器、微噴墨打印頭、數(shù)字微鏡顯示器在內(nèi)的幾百種產(chǎn)品，其中MEMS傳感器占相當(dāng)大的比例。
作為獲取信息的關(guān)鍵入口，MEMS傳感器已在汽車、消費電子、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。而隨著時間的推移和技術(shù)的逐步發(fā)展，MEMS所包含的內(nèi)容正在不斷增加，并變得更加豐富。
1、汽車領(lǐng)域
在20世紀(jì)90年代，MEMS首先在汽車工業(yè)開始應(yīng)用，汽車電子被認(rèn)為是MEMS傳感器第一波應(yīng)用高潮的推動者。
受益于汽車行業(yè)安全規(guī)定及信息化、智能化浪潮，MEMS傳感器在汽車領(lǐng)域得到飛速發(fā)展，其應(yīng)用方向和市場需求包括車輛的防抱死系統(tǒng)、電子車身穩(wěn)定程序、電控懸掛、電動手剎、斜坡起動輔助、胎壓監(jiān)控、引擎防抖、車輛傾角計量和車內(nèi)心跳檢測等。
根據(jù)相關(guān)調(diào)研數(shù)據(jù)，目前平均每輛汽車包含10-30個MEMS傳感器，而在高檔汽車中大約會采用30甚至上百個MEMS傳感器。
2、消費電子
隨著消費電子的大發(fā)展及產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)，該領(lǐng)域已經(jīng)取代汽車成為MEMS最大的應(yīng)用市場。
MEMS傳感器在消費電子產(chǎn)品中可用于運動/墜落檢測、導(dǎo)航數(shù)據(jù)補償、游戲/人機界面交互、電源管理、GPS增強/盲區(qū)消除、速度/距離計數(shù)等，應(yīng)用較多的品類為MEMS麥克風(fēng)、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(yīng)用可增加電子設(shè)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(fā)揮著重要的作用。在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機攝像頭主要由音圈馬達(dá)移動鏡頭組的方式實現(xiàn)防抖(簡稱鏡頭防抖技術(shù))，受到很大的局限。而另一個在市場上較高端的防抖技術(shù)：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動，但由于這個技術(shù)體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上應(yīng)用。
憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術(shù)MEMS Drive類似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達(dá)，帶動圖像傳感器在三個旋轉(zhuǎn)軸移動。MEMS Drive 的防抖技術(shù)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(dá)應(yīng)做的移動幅度并做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內(nèi)做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。
3、航空航天
MEMS在航空航天領(lǐng)域主要有狀態(tài)傳感器和環(huán)境傳感器之分。狀態(tài)傳感器主要針對飛機姿態(tài)、燃料用量、生命活動、各種活動機件的即時位置等進(jìn)行監(jiān)測。環(huán)境傳感器主要針對溫濕度、氧氣濃度、流量大小等方面進(jìn)行測量。通過提供有關(guān)航天器的工作信息，MEMS傳感器起到故障診斷、提供決策依據(jù)、保障正常飛行的作用。
4、生物醫(yī)療
隨著體外診斷、藥物研究、病患監(jiān)測、給藥方式以及植入式醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備需要迅速提高性能、降低成本、縮小尺寸。MEMS技術(shù)使醫(yī)療設(shè)備可以做到微型化，醫(yī)療檢測、診斷、手術(shù)和治療過程可以更加便捷、精準(zhǔn)，甚至無痛。
MEMS壓力傳感器可以檢測包括血壓、眼內(nèi)壓、顱內(nèi)壓、子宮內(nèi)壓等在內(nèi)的人體器官壓力水平。MEMS慣性器件最主要用于心臟病治療設(shè)備。MEMS圖像傳感器普遍應(yīng)用于包括CT掃描、內(nèi)窺鏡在內(nèi)的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備中。MEMS技術(shù)在傳感和執(zhí)行功能上的優(yōu)勢，使其在醫(yī)療健康行業(yè)的應(yīng)用廣泛增長。
此外，MEMS技術(shù)在國防、工業(yè)、能源及環(huán)保等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，為各行各業(yè)提供自動化、智能化的數(shù)據(jù)接口，賦能智能社會。根據(jù)相關(guān)市場調(diào)研數(shù)據(jù)，全球MEMS市場結(jié)構(gòu)中消費電子領(lǐng)域占比最高，增長空間最大的是生物醫(yī)療領(lǐng)域。
MEMS的創(chuàng)新革命才剛剛開始
從應(yīng)用范圍來看，MEMS足夠廣，足夠被全球認(rèn)可，但并不會止步于此。
例如，大學(xué)研究團(tuán)隊使用MEMS技術(shù)作為構(gòu)建無法制造的設(shè)備的獨特基礎(chǔ)。該芯片上的國際方案加速器（AChIP），是一個世界性的項目，試圖開發(fā)出能夠產(chǎn)生飛秒到阿秒的電子加速器?；诠璧碾娮蛹铀倨鞯碾娮用}沖具有高達(dá)1兆電子伏特（MeV）的能量，并通過硅芯片完成，但其目前所需的結(jié)構(gòu)長達(dá)一英里。
達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)加速器物理小組的工程師描述了他們?nèi)绾蝿?chuàng)建微小的MEMS通道和新的電子束聚焦方法，以替代傳統(tǒng)的電磁聚焦方法，但這種方法太弱了。
硅制雙柱結(jié)構(gòu)使用基于激光的光學(xué)相位控制來聚焦電子的加速和減速區(qū)域。（圖片來源：達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)）
另一個創(chuàng)新的MEMS項目針對物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的世界。東北大學(xué)的一個團(tuán)隊開發(fā)了一種基于MEMS的開關(guān)，該開關(guān)在處于休眠待機模式時消耗零功率，但是在撞擊紅外（IR）光時會“喚醒”。該團(tuán)隊的等離激元增強型微機械光電開關(guān)（PMP）通過在定義的光譜帶內(nèi)轉(zhuǎn)換極少量的光子能來激活MEMS機制，從而實現(xiàn)了這一目標(biāo)。除去激活的IR能量后，開關(guān)會自行關(guān)閉。
PMP的每個懸臂包括一個頭部，一對用于致動的熱敏雙材料支腳，一對外部的用于溫度和應(yīng)力補償?shù)南嗤p材料支腳，以及一對連接內(nèi)部和外部的隔熱鏈腿（a）。入射在四個PMP上的入射光束的概念圖，每個PMP都“調(diào)諧”到不同的紅外輻射帶（b）。實際制造的PMP開關(guān)“機理”的偽彩色掃描電子顯微鏡圖像，具有等離激元吸收體，碗狀接觸尖端以及帶有自對準(zhǔn)Al和SiO2層的雙材料腿末端的高倍放大圖（c ）。（圖片來源：東北大學(xué)/自然納米技術(shù)）
對于MEMS，早前Maxim公司總裁Vijay Ullal曾表示MEMS是下一場技術(shù)革命：
“MEMS最有趣的地方在于，隨著200多年前的工業(yè)革命開始將能源轉(zhuǎn)化為動力起，它就一直是這個革命的其中一部份。隨后的重大變革分別是運算科技，以及晶體管的發(fā)明。而第三次重要的機器革命則與傳感器有關(guān)。MEMS不僅是一種全新的發(fā)明，它還將實現(xiàn)人類社會的第三次重大變革。任何一家半導(dǎo)體公司現(xiàn)在都必須做MEMS,否則很可能被踢出這個產(chǎn)業(yè)?！?
從過去的歷史來看，我們曾經(jīng)使用相當(dāng)復(fù)雜的生產(chǎn)制程來生產(chǎn)少量的MEMS產(chǎn)品。但這種方式顯然已經(jīng)產(chǎn)生變化，目前電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相當(dāng)成功地降低了成本，生產(chǎn)制程日趨成熟，而MEMS一向存在的良率問題也正步入軌道，幾乎接近于傳統(tǒng)半導(dǎo)體制程的指標(biāo)了。
未來，MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能會像微電子一樣，對科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響。
任何技術(shù)在被采用前，都會歷經(jīng)一段學(xué)習(xí)曲線過程。過去僅根據(jù)價格高低來購買MEMS傳感器，而今，卻逐漸發(fā)現(xiàn)并不是所有的組件都做得一樣，傳感組件的功能和精密度大有不同。隨著時間的演進(jìn)、市場的成熟和產(chǎn)品組合更為豐富，這一領(lǐng)域?qū)⒎指顬橐粋€超低成本市場和其它多個細(xì)分市場。
傳感器方面，傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化，它幾大趨勢MEMS都參與其中。由于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(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來MEMS傳感器將越加備受世界各國的重視。
生物方面，生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、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(tǒng)與外部連接少、實時通信、連續(xù)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(xué)分析系統(tǒng)帶來一場重大的革新。
光學(xué)方面，隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結(jié)合，開發(fā)新型光器件，稱為微光機電系統(tǒng)(MOEMS)。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動和控制等特點。較成功的應(yīng)用科學(xué)研究主要集中在兩個方面：一是基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進(jìn)行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥；二是通信系統(tǒng)，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發(fā)生預(yù)期的改變，較成功的有光開關(guān)調(diào)制器、光濾波器及復(fù)用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強的高新技術(shù)，開展這個領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發(fā)。
納米技術(shù)方面，MEMS結(jié)合納米技術(shù)，將會實現(xiàn)真正的微型傳感器并開發(fā)新應(yīng)用，盡管這一進(jìn)展可能就得花上十年的時間。再過個10年至15年后，在實驗室中所看到的自組裝結(jié)構(gòu)將會采用真正的微型傳感器，它們幾乎完全不需要任何動力就能運作。
結(jié)語：
基于MEMS技術(shù)開發(fā)的，用于安全氣囊觸發(fā)的加速度傳感器，已經(jīng)發(fā)展了很長的一段時間，且經(jīng)過擴展和改進(jìn)后得以支持各種應(yīng)用，包括通過微鏡和基于接觸的RF開關(guān)進(jìn)行光束轉(zhuǎn)向。同時，領(lǐng)先的大學(xué)研究正在將MEMS進(jìn)一步帶入平凡和深奧的科學(xué)環(huán)境，但如果受限于當(dāng)前的MEMS技術(shù)和MEMS傳感器，那么我們將會錯過一場因MEMS引發(fā)的技術(shù)革命。未來MEMS傳感器市場競爭非常激烈，尤其是在智能手機的應(yīng)用方面，對于企業(yè)來說，創(chuàng)新是保證公司今后可持續(xù)發(fā)展的唯一動力。
