小巧智能、低能耗的MEMS傳感器正在引領(lǐng)未來(lái)！

什么是MEMS？MEMS傳感器基本構成

MEMS被認為是21世紀最有前途的技術(shù)之一，如果半導體微制造被視為第一次微制造革命，MEMS則是第二次革命。通過(guò)結合硅基微電子技術(shù)和微機械加工技術(shù)，MEMS具有革命性的工業(yè)和消費產(chǎn)品的潛力。

事實(shí)上，MEMS這個(gè)詞實(shí)際上有一定誤導，因為許多微機械設備在任何意義上都不是機械的。然而，MEMS又不僅僅是關(guān)于機械部件的微型化或用硅制造東西，它是是一種利用批量制造技術(shù)設計、創(chuàng )建復雜機械設備和系統及其集成電子設備的范例。再具化一點(diǎn)講，集成電路的設計是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說(shuō)利用硅的電學(xué)和機械特性。

那MEMS傳感器又是什么？MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專(zhuān)用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。

下圖是一張典型的MEMS麥克風(fēng)內部構造示意圖，來(lái)自中國MEMS第一大廠(chǎng)歌爾微電子。這是一顆MEMS麥克風(fēng)，可以看到這顆傳感器的主要器件是一顆MEMS芯片和一顆ASIC芯片，以及與基板、外殼等封裝一起，就做成了一顆MEMS傳感器。這也是大部分MEMS傳感器的基礎構造。

MEMS芯片來(lái)將聲音轉化為電容、電阻等信號變化，ASIC芯片將電容、電阻等信號變化轉化為電信號，由此實(shí)現MEMS傳感器的功能——外界信號轉化為電信號。

MEMS聲學(xué)傳感器構造圖（來(lái)自歌爾微）

常見(jiàn)的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

全球最主流的MEMS器件分別是：MEMS射頻器件、壓力傳感器、慣性組合傳感器、聲學(xué)傳感器、加速度傳感器、噴墨打印頭、微型熱輻射傳感器、陀螺儀傳感器、光學(xué)傳感器、硅基微流控制器件、熱電堆傳感器、磁傳感器。

因為MEMS的微觀(guān)特性，我們很難直觀(guān)了解到各MEMS傳感器的工作情況，下面特意搜集大量的動(dòng)圖，可以直觀(guān)“看”到各主流MEMS傳感器的工作原理。

MEMS壓力傳感器

MEMS壓力傳感器，就是測量壓力的，主要分為電容式和電阻式。

隨著(zhù)MEMS壓力傳感器的出現和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來(lái)越多，主要用來(lái)測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實(shí)現更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數等都可以檢測。

MEMS壓力傳感器的原理也非常簡(jiǎn)單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時(shí)變形，形變會(huì )導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來(lái)測量這種形變，進(jìn)而計算受到的壓力。

下圖1是一種電容式MEMS壓力傳感器的結構圖，當受到壓力時(shí)，上下兩個(gè)橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據此可以測算出壓力大小。

下圖2是一種MEMS電阻式壓力傳感器的工作動(dòng)圖，由一個(gè)帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結構組成，當外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測量值。

圖1

下圖是一種MEMS電容式壓力傳感器實(shí)物圖。

MEMS加速度傳感器

MEMS加速度傳感器利用加速度來(lái)感測運動(dòng)和震動(dòng)，比如消費電子中最廣泛的體感檢測，廣泛應用于游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、姿態(tài)識別等等。

MEMS加速度傳感器的原理非常易于理解，那就是高中物理最基礎的牛頓第二定律。力是產(chǎn)生加速度的原因，加速度的大小與外力成正比，與物體質(zhì)量成反比：F=ma。

所以MEMS加速度傳感器本質(zhì)上也是一種壓力傳感器，要計算加速度，本質(zhì)上也是計算由于狀態(tài)的改變，產(chǎn)生的慣性力，常見(jiàn)的加速度傳感器包括壓阻式，電容式，壓電式，諧振式等。

其中，電容式硅微加速度計由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應性強，是目前技術(shù)最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著(zhù)MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。

其中，電容式硅微加速度計由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應性強，是目前技術(shù)最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著(zhù)MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測能力提高，電容式MEMS加速度計的精度也在不斷提升。

下圖是3軸MEMS加速度傳感器的封裝結構，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結構上是分開(kāi)設計的。

下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內部結構圖，梳狀結構緊密排列。

下圖是MEMS芯片X-Y軸 部分內部結構圖，梳狀結 構緊密排列。

右圖顯示了微觀(guān)轉態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結構。

但物體產(chǎn)生加速度時(shí)，帶動(dòng)梳妝結構產(chǎn)生位移，使梳妝結構間電容改變，從而測量出加速度值。

MEMS陀螺儀傳感器

MEMS陀螺儀又稱(chēng)MEMS角速度傳感器，是一種測量角速度傳感器，其原理相對來(lái)說(shuō)復雜點(diǎn)。

測量角速度，不是一件容易的事情，必須在運動(dòng)的物體中，尋找到一個(gè)靜止不動(dòng)的錨定物——這個(gè)錨定物就是陀螺。人們發(fā)現，高速旋轉中的陀螺，角動(dòng)量很大，旋轉軸不隨外界運動(dòng)狀態(tài)改變而改變，會(huì )一直穩定指向一個(gè)方向。

陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來(lái)保持穩定。動(dòng)物界中穩定性最好的就是禽類(lèi)動(dòng)物，譬如雞，所以很多人開(kāi)玩笑說(shuō)，雞的腦袋里肯定裝了一個(gè)先進(jìn)的陀螺儀，不管怎么動(dòng)它，腦袋就是不動(dòng)。而用陀螺儀，也可以保持機器的穩定性。

至于陀螺儀的結構，核心就是一個(gè)呼呼轉不停的轉子，作為其他運動(dòng)物體的靜止錨定物。右圖，高速旋轉的陀螺在一條線(xiàn)上保持平衡，這就是陀螺儀的基本原理。

再回到MEMS陀螺儀，與傳統的陀螺儀工作原理有差異，因為“微雕”技術(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉動(dòng)的立體轉子，并不是一件容易的事。

MEMS陀螺儀陀螺儀利用科里奧利力原理——旋轉物體在有徑向運動(dòng)時(shí)所受到的切向力。這種力超出了筆者的高中物理水平，怎么描述這種科里奧利力呢？可以想象一下游樂(lè )場(chǎng)的旋轉魔盤(pán)，人在旋轉軸附近最穩定，但當大圓盤(pán)轉速增加時(shí)，人就會(huì )自動(dòng)滑向盤(pán)邊緣，仿佛被一個(gè)力推著(zhù)一樣向沿著(zhù)圓盤(pán)落后的方向漸漸加速，這個(gè)力就是科里奧利力。

所以MEMS陀螺儀的結構，就是一個(gè)在圓盤(pán)上的物體塊，被驅動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運動(dòng)或者震蕩。由于在旋轉狀態(tài)中做徑向運動(dòng)，因此就會(huì )產(chǎn)生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，通過(guò)電容變化來(lái)測量科里奧利力。

下圖是MEMS陀螺儀的工作動(dòng)圖，傳感器的外框在旋轉運動(dòng)期間沿相反方向擺動(dòng)，當物體旋轉時(shí)，內部梳狀結構一部分產(chǎn)生偏轉，改變梳狀結構間的距離，從而改變電容，測量出轉角。

下圖是一顆封裝好的3軸MEMS陀螺儀，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，整個(gè)器件尺寸為4mmX4mmX1.1mm。

下圖是MEMS芯片圍觀(guān)結構，各種機械結構密密麻麻，像是一個(gè)宏偉的建筑。注意看，左上角是一根頭發(fā)絲。

傳感器的應用

在深入了解壓力傳感器、加速度傳感器和陀螺儀傳感器的工作原理后，接下來(lái)我們一起探索這些傳感器在醫療領(lǐng)域中的精彩應用！

MEMS壓力傳感器在重癥監護中的幾種醫療應用：導管用于診斷和治療各種醫療狀況從尿路感染到心血管問(wèn)題。由于導管是最小的醫療設備之一，因此它們通常配備有微型壓力傳感器。

1.呼吸機：呼吸機中的壓力傳感器測量輸送到患者肺部的空氣或氧氣的壓力，還可以向設備發(fā)出信號以進(jìn)行氣流調整。此外，呼吸機壓力傳感器可以提供有關(guān)設備功效的持續反饋，使護理人員能夠快速響應并在潛在問(wèn)題變得嚴重之前識別它們。

2.導管：導管用于診斷和治療各種醫療狀況從尿路感染到心血管問(wèn)題。由于導管是最小的醫療設備之一，因此它們通常配備有微型壓力傳感器

3.透析機：壓力傳感器檢測壓力波動(dòng)，這可能表明系統存在問(wèn)題，例如功能不當或堵塞，并提醒工作人員潛在問(wèn)題，以便他們能夠快速采取糾正措施。此外，壓力傳感器有助于在治療過(guò)程中保持透析液濃度的一致性，這對于某些患者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

4.消融機：在消融過(guò)程中，集成的 MEMS 醫用壓力傳感器用于監測消融部位體內的壓力。這很重要，因為壓力會(huì )影響手術(shù)的有效性和安全性。例如，如果壓力太高，可能會(huì )導致組織損傷或其他并發(fā)癥，而如果壓力太低，可能無(wú)法有效治療目標組織。

MEMS加速度傳感器在骨科、血壓監測和醫療可穿戴設備等領(lǐng)域得到廣泛應用。

MEMS陀螺儀傳感器應用于微創(chuàng )手術(shù)：腹腔鏡手術(shù)（通過(guò)將微型陀螺儀集成到腹腔鏡工具中，陀螺儀會(huì )感知方向和運動(dòng)的變化，并將這些運動(dòng)轉化為患者體內的精確控制。）、關(guān)節置換或重建手術(shù)（通過(guò)將陀螺儀傳感器集成到手術(shù)導航系統或手術(shù)過(guò)程中使用的機器人助手中，外科醫生可以獲得有關(guān)關(guān)節定位和運動(dòng)的實(shí)時(shí)反饋）。

在手術(shù)室外，陀螺儀醫療應用還存在于康復和物理治療環(huán)境中。一些運動(dòng)障礙或損傷會(huì )影響個(gè)人的平衡和協(xié)調性。在這些情況下，陀螺儀作為可穿戴設備被證明是非常寶貴的，它可以通過(guò)提供有關(guān)患者身體位置的實(shí)時(shí)反饋來(lái)幫助患者重新訓練他們的動(dòng)作。

運用傳感器技術(shù)的導航產(chǎn)品如Bolt脊柱導航系統、iASSIST智能輔助導航系統、OrthAlign的KneeAlign、HipAlign等、愛(ài)喬的IKPAS和IKBAS：

2021年12月，位于張江高科技園區的骨科數字化手術(shù)器械生產(chǎn)企業(yè)愛(ài)喬醫療宣布了一則重磅信息：已完成由騰業(yè)創(chuàng )投、弘潤資本投資的數千萬(wàn)人民幣的Pre-A輪融資。該消息引發(fā)了業(yè)內的廣泛關(guān)注，也使得“潛水”的愛(ài)喬醫療開(kāi)始嶄露頭角。成立于2015年的愛(ài)喬醫療目前已有兩款產(chǎn)品用于膝關(guān)節置換手術(shù)的數字化產(chǎn)品上市，包括IKPAS定位系統和IKBAS膝關(guān)節軟組織張力測量?jì)x。

其中，IKPAS定位系統用于成人膝關(guān)節置換手術(shù)，術(shù)中可精準測量股骨遠端與脛骨平臺的截骨角度，精準誤差小于1°。IKBAS膝關(guān)節軟組織張力測量?jì)x則提供通用型膝關(guān)節軟組織張力評估方案，多用于初次膝關(guān)節置換、復雜膝關(guān)節置換。

來(lái)自公司創(chuàng )始人兼CEO常濤某次采訪(fǎng)中提到“這兩款產(chǎn)品都是一次性數字化傳感器，輔助醫生實(shí)現精準的截骨定位和術(shù)中關(guān)節功能實(shí)時(shí)評估，后續還有多款數字化產(chǎn)品陸續上市。開(kāi)發(fā)出真正滿(mǎn)足中國醫療環(huán)境的產(chǎn)品，用最小的代價(jià)解決最迫切的臨床問(wèn)題，是我們最核心的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)理念?！?/p>

審核編輯：劉清