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- 发布日期：2024-01-16 07:58 点击次数：161
什么是MEMS？MEMS传感器基本构成
MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一，如果半导体微制造被视为第一次微制造革命，MEMS则是第二次革命。通过结合硅基微电子技术和微机械加工技术，MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。
事实上，MEMS这个词实际上有一定误导，因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而，MEMS又不仅仅是关于机械部件的微型化或用硅制造东西，它是是一种利用批量制造技术设计、创建复杂机械设备和系统及其集成电子设备的范例。再具化一点讲，集成电路的设计是为了利用硅的电学特性，而MEMS则利用硅的机械特性，或者说利用硅的电学和机械特性。
那MEMS传感器又是什么？MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片（ASIC芯片）封装在一块后形成的器件。
下图是一张典型的MEMS麦克风内部构造示意图，来自中国MEMS第一大厂歌尔微电子。这是一颗MEMS麦克风，可以看到这颗传感器的主要器件是一颗MEMS芯片和一颗ASIC芯片，以及与基板、外壳等封装一起，就做成了一颗MEMS传感器。这也是大部分MEMS传感器的基础构造。
MEMS芯片来将声音转化为电容、电阻等信号变化，ASIC芯片将电容、电阻等信号变化转化为电信号，由此实现MEMS传感器的功能——外界信号转化为电信号。
MEMS声学传感器构造图（来自歌尔微）
常见的MEMS器件产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。
全球最主流的MEMS器件分别是：MEMS射频器件、压力传感器、惯性组合传感器、声学传感器、加速度传感器、喷墨打印头、微型热辐射传感器、陀螺仪传感器、光学传感器、硅基微流控制器件、热电堆传感器、磁传感器。
因为MEMS的微观特性，我们很难直观了解到各MEMS传感器的工作情况，下面特意搜集大量的动图，可以直观“看”到各主流MEMS传感器的工作原理。
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1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2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。
图1
下图是一种MEMS电容式压力传感器实物图。
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。
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。
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。
下图是MEMS芯片X-Y轴 部分内部结构图，梳状结 构紧密排列。
右图显示了微观转态下MEMS加速度传感器的梳状结构。
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。
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， 亿配芯城 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。右图，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。
传感器的应用
在深入了解压力传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器的工作原理后，接下来我们一起探索这些传感器在医疗领域中的精彩应用！
MEMS压力传感器在重症监护中的几种医疗应用：导管用于诊断和治疗各种医疗状况从尿路感染到心血管问题。由于导管是最小的医疗设备之一，因此它们通常配备有微型压力传感器。
1.呼吸机：呼吸机中的压力传感器测量输送到患者肺部的空气或氧气的压力，还可以向设备发出信号以进行气流调整。此外，呼吸机压力传感器可以提供有关设备功效的持续反馈，使护理人员能够快速响应并在潜在问题变得严重之前识别它们。
2.导管：导管用于诊断和治疗各种医疗状况从尿路感染到心血管问题。由于导管是最小的医疗设备之一，因此它们通常配备有微型压力传感器
3.透析机：压力传感器检测压力波动，这可能表明系统存在问题，例如功能不当或堵塞，并提醒工作人员潜在问题，以便他们能够快速采取纠正措施。此外，压力传感器有助于在治疗过程中保持透析液浓度的一致性，这对于某些患者来说至关重要。
4.消融机：在消融过程中，集成的 MEMS 医用压力传感器用于监测消融部位体内的压力。这很重要，因为压力会影响手术的有效性和安全性。例如，如果压力太高，可能会导致组织损伤或其他并发症，而如果压力太低，可能无法有效治疗目标组织。
MEMS加速度传感器在骨科、血压监测和医疗可穿戴设备等领域得到广泛应用。
MEMS陀螺仪传感器应用于微创手术：腹腔镜手术（通过将微型陀螺仪集成到腹腔镜工具中，陀螺仪会感知方向和运动的变化，并将这些运动转化为患者体内的精确控制。）、关节置换或重建手术（通过将陀螺仪传感器集成到手术导航系统或手术过程中使用的机器人助手中，外科医生可以获得有关关节定位和运动的实时反馈）。
在手术室外，陀螺仪医疗应用还存在于康复和物理治疗环境中。一些运动障碍或损伤会影响个人的平衡和协调性。在这些情况下，陀螺仪作为可穿戴设备被证明是非常宝贵的，它可以通过提供有关患者身体位置的实时反馈来帮助患者重新训练他们的动作。
运用传感器技术的导航产品如Bolt脊柱导航系统、iASSIST智能辅助导航系统、OrthAlign的KneeAlign、HipAlign等、爱乔的IKPAS和IKBAS：
2021年12月，位于张江高科技园区的骨科数字化手术器械生产企业爱乔医疗宣布了一则重磅信息：已完成由腾业创投、弘润资本投资的数千万人民币的Pre-A轮融资。该消息引发了业内的广泛关注，也使得“潜水”的爱乔医疗开始崭露头角。成立于2015年的爱乔医疗目前已有两款产品用于膝关节置换手术的数字化产品上市，包括IKPAS定位系统和IKBAS膝关节软组织张力测量仪。
其中，IKPAS定位系统用于成人膝关节置换手术，术中可精准测量股骨远端与胫骨平台的截骨角度，精准误差小于1°。IKBAS膝关节软组织张力测量仪则提供通用型膝关节软组织张力评估方案，多用于初次膝关节置换、复杂膝关节置换。
来自公司创始人兼CEO常涛某次采访中提到“这两款产品都是一次性数字化传感器，辅助医生实现精准的截骨定位和术中关节功能实时评估，后续还有多款数字化产品陆续上市。开发出真正满足中国医疗环境的产品，用最小的代价解决最迫切的临床问题，是我们最核心的产品开发理念。“
审核编辑：刘清