MEMS傳感器技術(shù)革命才剛剛開(kāi)始

最近10年，隨著消費(fèi)電子，尤其是智能手機(jī)和穿戴電子的發(fā)展，使MEMS傳感器真正的在全球火熱起來(lái)，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，譯為微機(jī)電系統(tǒng)。MEMS最初大量用于汽車(chē)安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)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(diǎn)，對(duì)小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢(shì)迅猛，消費(fèi)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(wú)痛小膠囊，5G路燈，骨傳感耳機(jī)，智能家居中洗衣機(jī)與晾衣架之間的智能系統(tǒng)，電梯維護(hù)等等。

不過(guò)，現(xiàn)在，我們已經(jīng)接受了低成本，高性能微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器的可用性，但并非總是如此。另外，從應(yīng)用范圍來(lái)看，MEMS足夠廣，足夠被全球認(rèn)可，但并不會(huì)止步于此。

例如，目前就有國(guó)外大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用MEMS技術(shù)作為構(gòu)建無(wú)法制造的設(shè)備的獨(dú)特基礎(chǔ)。該芯片上的國(guó)際方案加速器（AChIP），是一個(gè)世界性的項(xiàng)目，試圖開(kāi)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(guò)硅芯片完成，但其目前所需的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)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(lái)聚焦電子的加速和減速區(qū)域。（圖片來(lái)源：達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)）

另一個(gè)創(chuàng)新的MEMS項(xiàng)目針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的世界。東北大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于MEMS的開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)在處于休眠待機(jī)模式時(shí)消耗零功率，但是在撞擊紅外（IR）光時(shí)會(huì)“喚醒”。該團(tuán)隊(duì)的等離激元增強(qiáng)型微機(jī)械光電開(kāi)關(guān)（PMP）通過(guò)在定義的光譜帶內(nèi)轉(zhuǎn)換極少量的光子能來(lái)激活MEMS機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。除去激活的IR能量后，開(kāi)關(guān)會(huì)自行關(guān)閉。

上圖中，PMP的每個(gè)懸臂包括一個(gè)頭部，一對(duì)用于致動(dòng)的熱敏雙材料支腳，一對(duì)外部的用于溫度和應(yīng)力補(bǔ)償?shù)南嗤p材料支腳，以及一對(duì)連接內(nèi)部和外部的隔熱鏈腿（a）。入射在四個(gè)PMP上的入射光束的概念圖，每個(gè)PMP都“調(diào)諧”到不同的紅外輻射帶（b）。實(shí)際制造的PMP開(kāi)關(guān)“機(jī)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(duì)準(zhǔn)Al和SiO2層的雙材料腿末端的高倍放大圖（c ）。（圖片來(lái)自東北大學(xué)/自然納米技術(shù)）

對(duì)于MEMS，早前Maxim公司總裁Vijay Ullal曾表示MEMS是下一場(chǎng)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(kāi)始將能源轉(zhuǎn)化為動(dòng)力起，它就一直是這個(gè)革命的其中一部份。隨后的重大變革分別是運(yùn)算科技，以及晶體管的發(fā)明。而第三次重要的機(jī)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(shí)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)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(gè)產(chǎn)業(yè)?！?/p>

從過(guò)去的歷史來(lái)看，我們?cè)?jīng)使用相當(dāng)復(fù)雜的生產(chǎn)制程來(lái)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(wèn)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(lái)，MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能會(huì)像微電子一樣，對(duì)科學(xué)技術(shù)和人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響。

任何技術(shù)在被采用前，都會(huì)歷經(jīng)一段學(xué)習(xí)曲線過(guò)程。過(guò)去僅根據(jù)價(jià)格高低來(lái)購(gòu)買(mǎi)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(shí)間的演進(jìn)、市場(chǎng)的成熟和產(chǎn)品組合更為豐富，這一領(lǐng)域?qū)⒎指顬橐粋€(gè)超低成本市場(chǎng)和其它多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。

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(shì)MEMS都參與其中。由于傳感器是人類(lèi)探索自然界的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)MEMS傳感器將備受世界各國(guó)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(diǎn)。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(shí)時(shí)通信、連續(xù)檢測(cè)的特點(diǎn)。國(guó)際上，生物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)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(kāi)發(fā)新型光器件，稱為微光機(jī)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(dòng)和控制等特點(diǎn)。較成功的應(yīng)用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)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(guò)反射面的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)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(guò)微鏡的物理運(yùn)動(dòng)來(lái)控制光路發(fā)生預(yù)期的改變，較成功的有光開(kāi)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(qiáng)的高新技術(shù)，開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開(kāi)發(fā)。

納米技術(shù)方面，MEMS結(jié)合納米技術(shù)，將會(huì)實(shí)現(xiàn)真正的微型傳感器并開(kāi)發(fā)新應(yīng)用，盡管這一進(jìn)展可能就得花上十年的時(shí)間。再過(guò)個(gè)10年至15年后，在實(shí)驗(yàn)室中所看到的自組裝結(jié)構(gòu)將會(huì)采用真正的微型傳感器，它們幾乎完全不需要任何動(dòng)力就能運(yùn)作。