一文读懂MEMS（微电子机械系统）

新用户02834186 2023-05-08 发布于上海

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为什么要了解MEMS（Micro-electro mechanical Systems，微机电系统）？

因为被“卡脖子”了，还因为这个领域市场广阔，有钱赚。

为什么华为P60仍然不支持5G，这可是2023年的旗舰机啊，这可是在5G网络全面普及的中国，很讽刺啊。

有人会问，华为不是有自己的巴龙5G基带芯片吗？原因是5G射频滤波器被断供！目前5G射频前端用的滤波器的工艺就是MEMS。

一个射频前端模组由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成，其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件，目前5G射频前端用的滤波器的工艺就是MEMS，在射频前端模组中成本占比超过50%，主要由村田制作所等国外公司垄断。

射频模组

当然，滤波器只是MEMS的一种，MEMS有着广阔的用途，接下来就具体聊聊。

什么是MEMS

MEMS是一个很小的机械系统，产品尺寸在1μm~1mm之间（头发直径约50μm），感知外界环境，并作出相应操作。下图是来自日本丰桥技术科学大学，通过高精度传感器拍摄的微米级MEMS机械结构运动情况，可以很直观看到MEMS具有常规的机械系统结构，但是尺寸做到了微米级甚至纳米级。

MEMS的市场前景

国内市场年增长在15%左右，预计2025年达到1500亿。

随着汽车电动化的加速，单辆汽车传感器的个数将达到1000个以上。这个是增速极大的市场。汽车必然会超越消费电子。

MEMS技术原理

MEMS传感器类似于人的感官系统，例如MEMS麦克风芯片相当于人的耳朵，可以感知声音；MEMS扬声器芯片相当于人的嘴巴，可以发出声音；MEMS加速度计、陀螺仪、磁传感器芯片相当于人的小脑，可以感知方向和速度；MEMS压力芯片相当于人的皮肤，可以感知压力；MEMS化学传感器相当于人的鼻腔，可以感知味道和温湿度。没有MEMS芯片的人工智能和万物互联，就相当于没有感官器官的人。

MEMS实现人体的触觉、味觉、听见、视觉、嗅觉

（1）MEMS声学传感器

MEMS声学传感器主要指硅麦克风、超声波传感器等，其中，硅麦克风是应用最多的MEMS声学传感器。

硅麦克风是指利用MEMS技术，在硅基上制造的微缩麦克风，迎合目前3C产品小型化和集成化趋势，所以TWS耳机、手机麦克风，才会实现如此集成化效果。

上图是一颗MEMS麦克风的封装构造，由三部分构成，第一部分是MEMS芯片，第二部分是ASIC芯片，第三部分是金属外壳，底部PCB板上有信号端子（上右图黄色方块部分）和接地端子（上右图黄色圆圈部分）。根据信号处理方式的不同，不同信号MEMS麦克风的信号端子数量不同常见的为2~4个（Airpods Pro的麦克风有4个信号端子）。

下图是一颗来自楼氏电子的MEMS芯片，用高精度传感器拍摄的实拍图片，呈正方形，边长1mm。

无论是传统的驻极体麦克风（electret microphone）还是MEMS麦克风，其工作原理都是一样的。

MEMS传感器由上下两层构成一个电容器，上层为孔洞结构（下图黄色/绿色部分）术语为背板，下层为密闭结构，术语为振膜。当声音通过进音孔传递到传感器时，声压会导致两层振膜震动，从而导致振膜和背板之间的间距发生变化，进而使振膜和背板之间的电容发生变化，这样也就是将声压信号转变为了电信号。

下图是MEMS芯片内部结构，由高精度传感器拍摄，能直观看到，MEMS底层薄膜随声波震动，从而将声压转换为电容、电阻信号，再经过ASIC芯片处理输出为电信号，这就是MEMS麦克风工作的整个流程。

下图为苹果公司AirPods Pro无线蓝牙耳机上的三颗MEMS麦克风实拍图，均是我国MEMS声学传感器龙头企业歌尔微电子供应。

（2）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。

下图是一种MEMS电容式压力传感器实物图。

（3）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。

电容式加速度传感器是基于电容原理的极距变化型的电容传感器，其中一个电极是固定的，另一变化电极是弹性膜片。弹性膜片在外力(气压、液压等)作用下发生位移，使电容量发生变化。这种传感器可以测量气流(或液流)的振动速度(或加速度)，还可以进一步测出压力。

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。

下图是MEMS芯片X-Y轴部分内部结构图，梳状结构紧密排列。

下图来自博世，显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。

下图来自博世，但物体产生加速度时，带动梳妆结构产生位移，使梳妆结构间电容改变，从而测量出加速度值。

（4）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。下图，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陀螺仪的工作动图，传感器的外框在旋转运动期间沿相反方向摆动，当物体旋转时，内部梳状结构一部分产生偏转，改变梳状结构间的距离，从而改变电容，测量出转角。

下图是一颗封装好的3轴MEMS陀螺仪，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整个器件尺寸为4mmX4mmX1.1mm。

下图是MEMS芯片围观结构，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。

（5）MEMS组合惯性传感器

MEMS组合惯性传感器不是一种新的MEMS传感器类型，而是指加速度传感器、陀螺仪、磁传感器等的组合，利用各种惯性传感器的特性，可以实现全方位、立体运动的检测。

组合惯性传感器的一个被广为熟悉的应用领域就是惯性导航，比如飞机/导弹飞行控制、姿态控制、偏航阻尼等控制应用、以及中程导弹制导、惯性GPS导航等制导应用。相关介绍可以查看《总算明白了，现代战争，打的都是传感器》。

下图是Silicon Sensing Systems推出的一款惯性组合传感器（左）和MEMS芯片（右），包括一颗ASIC芯片，一颗MEMS陀螺仪芯片和一颗加速度计芯片，采用陶瓷基板和引线键合。

（6）MEMS磁传感器

磁传感器并非像名字显示的那样，只是为了测量磁场强度的器件，而是根据受外界影响，敏感元件磁性能变化，来检测外部环境变化的器件，可检测的外界因素有磁场、电流、应力应变、温度、光等。

磁传感器主要分为四大类，霍尔效应（Hall Effect）传感器、各向异性磁阻（AMR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和隧道磁阻（TMR）传感器。

其中，磁阻传感器是第四代磁传感技术，基于纳米薄膜技术和半导体制备工艺，通过探测磁场信息来精确测量电流、位置、方向、转动、角度等物理参数。

由于MEMS技术可以将传统的磁传感器小型化，因此基于MEMS的磁传感器具有体积小、性能高、成本低、功耗低、高灵敏和批量生产等优点，其制备材料以Si为主，消除了磁传感器制备必须采用特殊磁性材料及其对被测磁场的影响。

下图是一个3轴MEMS磁传感器封装结构图，包含MEMS芯片和控制电路。

下图是我国惯性传感器龙头企业美新半导体的一款AMR三轴磁传感器，尺寸仅有3mmX3mmX1mm。

（7）MEMS微流控系统

MEMS器件有着广泛的用途，主要分为传感器和执行器（致动器）两大类。前面我们提到的都是属于MEMS传感器，微流控系统、射频MEMS、MEMS喷墨打印头、DMD(数字微镜器件)等则属于执行器，是MEMS器件的重要组成。

MEMS微流控（microfluidics ）系统，就是一种流量控制，是精确控制和操控液体流动的装置，使用几十到几百微米尺度的管道，一般针对微量流体，用于生物医药诊断领域的高精度和高敏感度的分离和检测，具有样品消耗少、检测速度快、操作简便、多功能集成、体小和便于携带等优点。

MEMS微流控是纯粹的机械结构，制作微流控芯片的主要材料包括硅、玻璃、石英、高聚物、陶瓷、纸等。

MEMS微流控芯片，直白点说，就是在一片很小的玻璃流道上进行生物化学反应，用芯片进行计算，用传感器传递信号。

下图是微流控芯片的结构示例，可以看到玻璃管道，微流控芯片又被称为“芯片实验室”，在基因测序等许多方面有广阔应用前景，是一种极具前景的生物传感器。

下图为流体在微管道中流动、捕捉的动态过程。

（8）射频MEMS

射频MEMS器件分为MEMS滤波器、MEMS开关、MEMS谐振器等。

射频前端模组主要由滤波器、低噪声放大器、功率放大器、射频开关等器件组成，其中滤波器是射频前端中最重要的分立器件，滤波器的工艺就是MEMS，在射频前端模组中占比超过50%，主要由村田制作所等国外公司生产。

因为没有适用的国产5G MEMS滤波器，因此华为手机只能用4G，也是这个原因，可见MEMS滤波器的重要性。相关介绍可查看《华为也被卡住？错过了芯片，中国千万别再错过MEMS了！》。

滤波器（SAW、BAW、FBAR等），负责接收通道的射频信号滤波，将接收的多种射频信号中特定频率的信号输出，将其他频率信号滤除。以SAW声表面波为例，通过电磁信号-声波-电磁信号的两次转换，将不受欢迎的频率信号滤除。

下图是各种MEMS滤波器的微观结构、封装形态等信息，可以直观了解各种MEMS滤波器的差别。

射频开关（Switch），不是一个单纯的开关，而是一个切换器，主要用于在射频设备中对不同方向（接收或发射）、不同频率的信号进行切换处理的装置，实现通道的复用。

RF MEMS开关种类繁多，它们可以用不同的机制来驱动。由于功耗低、尺寸小的特性，静电驱动常用于射频微机电系统开关设计。MEMS开关也可使用惯性力、电磁力、电热力或压电力来控制打开或关闭。

下图是“悬臂梁” RF MEMS开关。在这种配置中，固定梁悬挂在基板上，当梁被压下时，梁上的电极接触基板上的电极，将开关置于“开启”状态并接通了电路。

最新一代的RF MEMS开关大多是电容式器件。电容式开关使用电容耦合工作，非常适合高频率的射频应用。
在操作过程中，力被施加到像桥一样悬在基板上的梁。当梁被该力（例如静电力）拉下时，会接触到基板上的电介质，使信号终止。桥型电容开关的横截面如图 3 所示，其中使用CoventorMP® 3D所建的电容式RF MEMS开关模型处于未变形状态，如图 4 所示。