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。通過結合硅基微電子技術和微機械加工技術，MEMS具有革命性的工業和消費產品的潛力。

事實上，MEMS這個詞實際上有一定誤導，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設計、創建復雜機械設備和系統及其集成電子設備的范例。再具化一點講，集成電路的設計是為了利用硅的電學特性，而MEMS則利用硅的機械特性，或者說利用硅的電學和機械特性。

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麥克風內部構造示意圖，來自中國MEMS第一大廠歌爾微電子。這是一顆MEMS麥克風，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，由此實現MEMS傳感器的功能——外界信號轉化為電信號。

MEMS聲學傳感器構造圖（來自歌爾微）

常見的MEMS器件產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器、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的微觀特性，我們很難直觀了解到各MEMS傳感器的工作情況，下面特意搜集大量的動圖，可以直觀“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越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實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單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。

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，上下兩個橫隔(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圖，由一個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，電壓與壓力大小成比例變化產生測量值。

圖1

下圖是一種MEMS電容式壓力傳感器實物圖。

MEMS加速度傳感器

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

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。力是產生加速度的原因，加速度的大小與外力成正比，與物體質量成反比：F=ma。

所以MEMS加速度傳感器本質上也是一種壓力傳感器，要計算加速度，本質上也是計算由于狀態的改變，產生的慣性力，常見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、技術成熟、且環境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著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、技術成熟、且環境適應性強，是目前技術最為成熟、應用最為廣泛的MEMS加速度計。隨著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。

右圖顯示了微觀轉態下MEMS加速度傳感器的梳狀結構。

但物體產生加速度時，帶動梳妝結構產生位移，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MEMS角速度傳感器，是一種測量角速度傳感器，其原理相對來說復雜點。

測量角速度，不是一件容易的事情，必須在運動的物體中，尋找到一個靜止不動的錨定物——這個錨定物就是陀螺。人們發現，高速旋轉中的陀螺，角動量很大，旋轉軸不隨外界運動狀態改變而改變，會一直穩定指向一個方向。

陀螺儀能有什么用？最大的用處就是用來保持穩定。動物界中穩定性最好的就是禽類動物，譬如雞，所以很多人開玩笑說，雞的腦袋里肯定裝了一個先進的陀螺儀，不管怎么動它，腦袋就是不動。而用陀螺儀，也可以保持機器的穩定性。

至于陀螺儀的結構，核心就是一個呼呼轉不停的轉子，作為其他運動物體的靜止錨定物。右圖，高速旋轉的陀螺在一條線上保持平衡，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”技術在硅片襯底上加工出一個可轉動的立體轉子，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時所受到的切向力。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？可以想象一下游樂場的旋轉魔盤，人在旋轉軸附近最穩定，但當大圓盤轉速增加時，人就會自動滑向盤邊緣，仿佛被一個力推著一樣向沿著圓盤落后的方向漸漸加速，這個力就是科里奧利力。

所以MEMS陀螺儀的結構，就是一個在圓盤上的物體塊，被驅動，不停地來回做徑向運動或者震蕩。由于在旋轉狀態中做徑向運動，因此就會產生科里奧利力。MEMS陀螺儀通常是用兩個方向的可移動電容板，通過電容變化來測量科里奧利力。

下圖是MEMS陀螺儀的工作動圖，傳感器的外框在旋轉運動期間沿相反方向擺動，當物體旋轉時，內部梳狀結構一部分產生偏轉，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，整個器件尺寸為4mmX4mmX1.1mm。

下圖是MEMS芯片圍觀結構，各種機械結構密密麻麻，像是一個宏偉的建筑。注意看，左上角是一根頭發絲。

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，接下來我們一起探索這些傳感器在醫療領域中的精彩應用！

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，還可以向設備發出信號以進行氣流調整。此外，呼吸機壓力傳感器可以提供有關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，這可能表明系統存在問題，例如功能不當或堵塞，并提醒工作人員潛在問題，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程中保持透析液濃度的一致性，這對于某些患者來說至關重要。

4.消融機：在消融過程中，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，因為壓力會影響手術的有效性和安全性。例如，如果壓力太高，可能會導致組織損傷或其他并發癥，而如果壓力太低，可能無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域得到廣泛應用。

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

在手術室外，陀螺儀醫療應用還存在于康復和物理治療環境中。一些運動障礙或損傷會影響個人的平衡和協調性。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，它可以通過提供有關患者身體位置的實時反饋來幫助患者重新訓練他們的動作。

運用傳感器技術的導航產品如Bolt脊柱導航系統、iASSIST智能輔助導航系統、OrthAlign的KneeAlign、HipAlign等、愛喬的IKPAS和IKBAS：

2021年12月，位于張江高科技園區的骨科數字化手術器械生產企業愛喬醫療宣布了一則重磅信息：已完成由騰業創投、弘潤資本投資的數千萬人民幣的Pre-A輪融資。該消息引發了業內的廣泛關注，也使得“潛水”的愛喬醫療開始嶄露頭角。成立于2015年的愛喬醫療目前已有兩款產品用于膝關節置換手術的數字化產品上市，包括IKPAS定位系統和IKBAS膝關節軟組織張力測量儀。

其中，IKPAS定位系統用于成人膝關節置換手術，術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膝關節軟組織張力測量儀則提供通用型膝關節軟組織張力評估方案，多用于初次膝關節置換、復雜膝關節置換。

來自公司創始人兼CEO常濤某次采訪中提到“這兩款產品都是一次性數字化傳感器，輔助醫生實現精準的截骨定位和術中關節功能實時評估，后續還有多款數字化產品陸續上市。開發出真正滿足中國醫療環境的產品，用最小的代價解決最迫切的臨床問題，是我們最核心的產品開發理念。“

審核編輯：劉清