1959年美國物理學(xué)家Richard Feynman(理查德費曼),在他著名的演講“底部有足夠的空間(There's Plenty of Room at the Bottom)”中,提出了將機(jī)器小型化到原子和分子尺度的想法。然而,直到 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代,MEMS 技術(shù)才開始得到開發(fā)和商業(yè)化。
1962年,微小器件的先驅(qū)——第一個硅微壓力傳感器問世,開創(chuàng)了MEMS技術(shù)的先河,也是MEMS微傳感器的起始點。霍尼⻙爾研究中⼼和⻉爾實驗室的相關(guān)論文顯示,他們發(fā)明了第⼀個硅隔膜壓⼒傳感器和應(yīng)變計。
此后,⼈們對MEMS傳感器技術(shù)的興趣急劇增⻓,到 1960 年代后期,許多美國先驅(qū)公司已經(jīng)開始生產(chǎn)第一批MEMS壓力傳感器。
▲理查德•費曼
MEMS技術(shù)發(fā)展迅速,對現(xiàn)今傳感器的普及起到關(guān)鍵作用,如果沒有MEMS技術(shù),傳感器的微型化、集成化、低功耗等將難以做到,而物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、汽車等發(fā)展也將嚴(yán)重滯后。
如今,多種MEMS傳感器及執(zhí)行器取得了商業(yè)化的成功,替代傳統(tǒng)器件,得到大規(guī)模應(yīng)用,每年全球出貨量數(shù)以百億計,本文我們來看看這些取得巨大成功的MEMS傳感器及執(zhí)行器器件。
MEMS麥克風(fēng):一經(jīng)推出就在移動設(shè)備上大受歡迎
1961年,著名的貝爾實驗室研發(fā)出第一款駐極體(ECM)麥克風(fēng),利用聲音作用在振膜上電容大小的變化,將聲音轉(zhuǎn)換為電信號。
之后駐極體麥克風(fēng)在全國大規(guī)模流行了40多年的時間,直到2003年,市場上第一款商用MEMS麥克風(fēng)產(chǎn)品問世——來自Knowles(樓氏電子)的SiSonic麥克風(fēng)。
MEMS慣性傳感器:讓移動設(shè)備的慣性測量成為可能
你知道嗎?世界上第一個真正大規(guī)模商業(yè)化的 MEMS 傳感器是加速度計,它由美國ADI公司(亞德諾)于 1991 年發(fā)明。該傳感器基于電容傳感原理,傳感器的輸出信號可用于測量加速度或傾斜度。
這個MEMS加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊中,此前汽車安全氣囊用傳統(tǒng)傳感器一只售價20美元,而ADI的MEMS加速度傳感器售價約為每個5美元,這使安全氣囊電子裝置的成本降低了75%左右。
此后,MEMS慣性傳感器快速普及,在汽車等許多領(lǐng)域替代了傳統(tǒng)慣性傳感器,并創(chuàng)造了更多的應(yīng)用場景——譬如手機(jī)、智能手表、TWS耳機(jī)等可移動設(shè)備的慣性測量成為可能。
MEMS 慣性傳感器主要包括 MEMS 陀螺儀、MEMS 加速度計、MEMS-IMU(慣性測量單元)。
在手機(jī)中,MEMS加速度計負(fù)責(zé)感知運動狀態(tài),通過測量物體在三個方向上的加速度,實現(xiàn)屏幕自動旋轉(zhuǎn)、計步器、游戲控制等多種功能。
目前,市場上最成功的MEMS加速度計供應(yīng)商是博世、意法半導(dǎo)體、村田制作所、恩智浦和亞德諾等,其中,博世和意法半導(dǎo)體分別以32%和21%市場份額領(lǐng)先。
陀螺儀通過測量角速度來感知物體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),自Sperry發(fā)明全球第一個實用的陀螺儀至今,陀螺技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了近百年的發(fā)展,是慣性技術(shù)的核心。
1989年采用MEMS技術(shù)的第一個微機(jī)械陀螺問世,漂移率達(dá)10度/小時。相比其他陀螺儀,MEMS 陀螺儀的成本更低、體積更小、可靠性更高且更易于批量化生產(chǎn),使在移動設(shè)備上使用陀螺儀成為可能。
iPhone 4是世界上第一臺內(nèi)置MEMS三軸陀螺儀的手機(jī),可以感知來自六個方向的運動、加速度、角度變化
在智能手機(jī)中,陀螺儀與GPS、地磁傳感器等配合,可以實現(xiàn)精確的定位和導(dǎo)航功能,同時游戲方面的重力感應(yīng)特性更加強(qiáng)悍和直觀,游戲效果將大大提升。這個功能可以讓手機(jī)在進(jìn)入隧道丟失GPS信號的時候,憑借陀螺儀感知的加速度方向和大小繼續(xù)為用戶導(dǎo)航。而三軸陀螺儀將會與iPhone原有的距離感應(yīng)器、光線感應(yīng)器、方向感應(yīng)器結(jié)合起來讓iPhone 4的人機(jī)交互功能達(dá)到了一個新的高度。
如今,隨著無人機(jī)、自動駕駛技術(shù)的興起,MEMS陀螺儀的應(yīng)用越來越廣,為這些設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的姿態(tài)控制。
MEMS陀螺儀的主要廠商有TDK、亞德諾、霍尼韋爾、博世、意法半導(dǎo)體等。
MEMS-IMU(慣性測量單元)由MEMS加速度計和MEMS陀螺儀組成,具備加速度和角速度測量能力,應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 ,美國Draper 實驗室于 1994 年研制出了首臺微機(jī)電慣性測量組合。
▲InvenSense(TDK)的九軸慣性測量單元內(nèi)部:陀螺儀 (右)和加速度計(左)
MEMS IMU的發(fā)展早期主要受軍工需求推動,后續(xù)逐步推廣至民用,現(xiàn)已于消費電子、汽車、工業(yè)自動化等領(lǐng)域中實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
目前,隨著MEMS IMU技術(shù)的快速發(fā)展和成本下降,MEMS IMU有逐步替代獨立的MEMS加速度計和MEMS陀螺儀的趨勢。
MEMS壓力傳感器:帶動壓力檢測向微小化延伸
壓力是是各種物理量中,排名第二大的測量值,如前文所述,世界上第一個MEMS傳感器為硅微壓力傳感器,于1962年問世,由霍尼韋爾研發(fā)。
目前霍尼韋爾的壓力傳感器產(chǎn)品覆蓋了各種各樣的場景,其絕壓、表壓、真表壓、小型壓力傳感器等各種壓力傳感器,能在世界上最惡劣的環(huán)境下,滿足最嚴(yán)苛的測試和測量規(guī)格,包括一般的工業(yè)過程需求和專用于危險區(qū)域的壓力傳感器。
▲霍尼韋爾工業(yè)壓力傳感器,來源:霍尼韋爾官網(wǎng)
相比傳統(tǒng)的壓力傳感器,MEMS壓力傳感器具有無機(jī)械疲勞或老化、輸出信號穩(wěn)定、靈敏度高、體積小、適合批量大規(guī)模生產(chǎn)(成本優(yōu)勢)等優(yōu)點,隨著移動設(shè)備、汽車等發(fā)展MEMS壓力傳感器越來越受到歡迎。
在醫(yī)療健康領(lǐng)域,壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于血壓計、呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備中,為醫(yī)生提供準(zhǔn)確的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。此外,隨著可穿戴設(shè)備的興起,壓力傳感器也被用于智能手環(huán)、智能手表等設(shè)備中,實現(xiàn)心率監(jiān)測、睡眠分析等功能。
▲MEMS壓力傳感器應(yīng)用,來源:Yole
MEMS壓力傳感器的一個顯著優(yōu)點,是其體積可以做到非常小,從而推動了壓力傳感器在小型化移動設(shè)備、醫(yī)療等創(chuàng)新領(lǐng)域的應(yīng)用。
譬如,此前泰科電子推出了業(yè)界首創(chuàng)微型侵入式MEMS壓力傳感器,細(xì)如發(fā)絲,推動了壓力感測在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用,今后在診斷導(dǎo)管、治療導(dǎo)管、一次性窺鏡、活檢針、消融設(shè)備等微創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備上都可以應(yīng)用該IntraSense系列傳感器,醫(yī)生進(jìn)行相關(guān)微創(chuàng)手術(shù)就不需要僅憑借經(jīng)驗進(jìn)行操作,可以根據(jù)準(zhǔn)確的壓力數(shù)值去判斷,這將對現(xiàn)有醫(yī)療行業(yè)的數(shù)字化產(chǎn)生巨大變革。
▲泰科電子突破性超小體積壓力傳感器與鉛筆對比,來源:TE泰科電子
MEMS DLP芯片:巔峰傳統(tǒng)投影設(shè)備,開拓數(shù)字激光投影時代
DLP投影技術(shù)是顯示領(lǐng)域劃時代的革命,就好像CD在音頻領(lǐng)域產(chǎn)生的巨大影響一樣,DLP為視頻投影顯示翻開新的一頁。
數(shù)字微鏡裝置(DMD,或稱為DLP芯片)的發(fā)明者——德州儀器 Larry J. Hornbeck博士,榮獲2014年美國電影藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院獎(即奧斯卡獎)科學(xué)技術(shù)獎,將百年歷史的電影產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電影技術(shù)所作出的杰出貢獻(xiàn)受到表彰!足見MEMS DLP芯片技術(shù)對影像產(chǎn)業(yè)的重要影響力。
DLP(Digital Light Processing,數(shù)字光處理)芯片的核心器件是DMD(Digital Micromirror Device,數(shù)字微鏡器件),是光學(xué)MEMS的重要類別。
1977年,DLP芯片的研發(fā)在德州儀器中央研究實驗室正式啟動。當(dāng)時,Hornbeck首次利用“可變形反射鏡”以模擬技術(shù)的方式對光線進(jìn)行控制,但所應(yīng)用的模擬技術(shù)始終難以達(dá)到預(yù)期要求。直到1987年他在技術(shù)上獲得突破,基于MEMS技術(shù)發(fā)明了DMD(即DLP芯片),這種情況才得以改觀。
此后,DLP技術(shù)投影儀長期占據(jù)超過60%以上市場份額,是市場主流投影技術(shù)方案,這一情況直到近兩年才有所變化。
DLP芯片即在一塊硅基中,使用MEMS技術(shù),批量制造成千上萬個“鏡子”——微鏡,下圖是DMA芯片的封裝結(jié)構(gòu)示意圖,可以點擊放大查看。
在一個DLP芯片里面微鏡數(shù)以百萬計,每一面反射鏡都可以獨立反轉(zhuǎn)運動,正負(fù)方向翻轉(zhuǎn),每秒鐘翻轉(zhuǎn)次數(shù)高達(dá)數(shù)萬次。下圖是DMD芯片每一個微鏡翻轉(zhuǎn),折射光線的過程,每一片微鏡都可以單獨控制,折射相應(yīng)的光線,從而形成不同的色彩、明暗,每一個微鏡就如同我們電視的每一個像素點。
目前,DLP芯片技術(shù)大都為為德州儀器獨家專利,據(jù)Yole的數(shù)據(jù)顯示,憑借DLP芯片的營收,德州儀器占據(jù)全球光學(xué)MEMS市場近80%份額。
▲2022全球光學(xué)MEMS市場份額,來源:Yole
MEMS噴墨頭:三分打印天下,還可以打印DNA結(jié)構(gòu)
在噴墨打印機(jī)中,MEMS噴墨打印頭是最核心的部件,其作用是擠出墨汁,有的是利用壓電薄膜震動來擠壓墨水,有的是利用加熱氣泡變大,將腔體內(nèi)的墨汁擠出。
有趣的是,以這兩種MEMS噴墨技術(shù),形成了打印機(jī)兩大陣營,以愛普生、Brother為代表的微壓電打印技術(shù),和使用熱發(fā)泡打印技術(shù)的惠普、佳能等廠商,互為對手。
目前,噴墨打印機(jī)與激光打印機(jī)、針式打印機(jī)三分天下,是主流的打印技術(shù)方案之一。
憑借MEMS噴墨打印頭的出貨量,惠普、愛普生、佳能等打印機(jī)廠商長期進(jìn)入全球MEMS器件出貨量TOP 30名單中。
▲來源:Yole
此外,除了打印文字照片外,在醫(yī)學(xué)生物研究領(lǐng)域,MEMS噴墨技術(shù)還被用于DAN陣列的構(gòu)建,將合成試劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的墨水,
在DNA合成技術(shù)中,噴墨打印合成技術(shù)因其高通量、高效率、低成本成為最受關(guān)注的焦點,并極大推動了DNA合成的發(fā)展,近年來相關(guān)專利數(shù)量也大幅提升。
結(jié)語
MEMS技術(shù)是21世紀(jì)最具革命性的高新技術(shù)之一,從本文中,我們可以看到MEMS麥克風(fēng)、慣性傳感器、壓力傳感器、DLP芯片、噴墨頭等MEMS器件,在各領(lǐng)域的顛覆性應(yīng)用,MEMS器件的出現(xiàn)大大推動和擴(kuò)展了傳統(tǒng)器件的應(yīng)用邊界。
除文中提到的MEMS傳感器和執(zhí)行器外,MEMS濾波器、MEMS熱電堆等也被廣泛使用。同時,新的MEMS技術(shù),如MEMS揚聲器、MEMS時鐘也正展現(xiàn)蓬勃的發(fā)展勢頭,未來有望顛覆相關(guān)賽道。
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