什么是MEMS？MEMS傳感器基本構(gòu)成

MEMS被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一，如果半導(dǎo)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(jié)合硅基微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，MEMS具有革命性的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品的潛力。

事實(shí)上，MEMS這個(gè)詞實(shí)際上有一定誤導(dǎo)，因?yàn)樵S多微機(jī)械設(shè)備在任何意義上都不是機(jī)械的。然而，MEMS又不僅僅是關(guān)于機(jī)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(shè)計(jì)、創(chuàng)建復(fù)雜機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)及其集成電子設(shè)備的范例。再具化一點(diǎn)講，集成電路的設(shè)計(jì)是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機(jī)械特性，或者說(shuō)利用硅的電學(xué)和機(jī)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(fēng)內(nèi)部構(gòu)造示意圖，來(lái)自中國(guó)MEMS第一大廠歌爾微電子。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(chǔ)構(gòu)造。

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

MEMS聲學(xué)傳感器構(gòu)造圖（來(lái)自歌爾微）

常見的MEMS器件產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、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?yàn)镸EMS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(dòng)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(cè)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(xiàn)和普及，智能手機(jī)中用壓力傳感器也越來(lái)越多，主要用來(lái)測(cè)量大氣壓力。測(cè)量大氣壓的目的，是為了通過(guò)不同高度的氣壓，來(lái)計(jì)算海拔高度，同GPS定位信號(hào)配合，實(shí)現(xiàn)更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級(jí)數(shù)等都可以檢測(cè)。

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

下圖1是一種電容式MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)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(dǎo)致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測(cè)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(jié)構(gòu)組成，當(dāng)外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測(cè)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(cè)運(yùn)動(dòng)和震動(dòng)，比如消費(fèi)電子中最廣泛的體感檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于游戲控制、手柄振動(dòng)和搖晃、姿態(tài)識(shí)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(chǔ)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(jì)算加速度，本質(zhì)上也是計(jì)算由于狀態(tài)的改變，產(chǎn)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(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測(cè)能力提高，電容式MEMS加速度計(jì)的精度也在不斷提升。

其中，電容式硅微加速度計(jì)由于精度較高、技術(shù)成熟、且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，是目前技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的MEMS加速度計(jì)。隨著MEMS加工能力提升和ASIC電路檢測(cè)能力提高，電容式MEMS加速度計(jì)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(jié)構(gòu)，ASIC芯片位于MEMS芯片上方，MEMS芯片里，Z軸與X-Y軸從結(jié)構(gòu)上是分開設(shè)計(jì)的。

下圖是MEMS芯片X-Y軸部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，梳狀結(jié)構(gòu)緊密排列。

下圖是MEMS芯片X-Y軸 部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，梳狀結(jié) 構(gòu)緊密排列。

右圖顯示了微觀轉(zhuǎn)態(tài)下MEMS加速度傳感器的梳狀結(jié)構(gòu)。

但物體產(chǎn)生加速度時(shí)，帶動(dòng)梳妝結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移，使梳妝結(jié)構(gòu)間電容改變，從而測(cè)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(cè)量角速度傳感器，其原理相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)雜點(diǎn)。

測(cè)量角速度，不是一件容易的事情，必須在運(yùn)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(xiàn)，高速旋轉(zhuǎn)中的陀螺，角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)軸不隨外界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變而改變，會(huì)一直穩(wěn)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(wěn)定。動(dòng)物界中穩(wěn)定性最好的就是禽類動(dòng)物，譬如雞，所以很多人開玩笑說(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(jī)器的穩(wěn)定性。

至于陀螺儀的結(jié)構(gòu)，核心就是一個(gè)呼呼轉(zhuǎn)不停的轉(zhuǎn)子，作為其他運(yùn)動(dòng)物體的靜止錨定物。右圖，高速旋轉(zhuǎn)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(tǒng)的陀螺儀工作原理有差異，因?yàn)椤拔⒌瘛奔夹g(shù)在硅片襯底上加工出一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的立體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)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(zhuǎn)魔盤，人在旋轉(zhuǎn)軸附近最穩(wěn)定，但當(dāng)大圓盤轉(zhuǎn)速增加時(shí)，人就會(huì)自動(dòng)滑向盤邊緣，仿佛被一個(gè)力推著一樣向沿著圓盤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(jié)構(gòu)，就是一個(gè)在圓盤上的物體塊，被驅(qū)動(dòng)，不停地來(lái)回做徑向運(yùn)動(dòng)或者震蕩。由于在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中做徑向運(yùn)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(cè)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)期間沿相反方向擺動(dòng)，當(dāng)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部梳狀結(jié)構(gòu)一部分產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，改變梳狀結(jié)構(gòu)間的距離，從而改變電容，測(cè)量出轉(zhuǎn)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芯片圍觀結(jié)構(gòu)，各種機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yī)療領(lǐng)域中的精彩應(yīng)用！

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

1.呼吸機(jī)：呼吸機(jī)中的壓力傳感器測(cè)量輸送到患者肺部的空氣或氧氣的壓力，還可以向設(shè)備發(fā)出信號(hào)以進(jìn)行氣流調(diào)整。此外，呼吸機(jī)壓力傳感器可以提供有關(guān)設(shè)備功效的持續(xù)反饋，使護(hù)理人員能夠快速響應(yīng)并在潛在問(wèn)題變得嚴(yán)重之前識(shí)別它們。

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

3.透析機(jī)：壓力傳感器檢測(cè)壓力波動(dòng)，這可能表明系統(tǒng)存在問(wèn)題，例如功能不當(dāng)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(duì)于某些患者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

4.消融機(jī)：在消融過(guò)程中，集成的 MEMS 醫(yī)用壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)消融部位體內(nèi)的壓力。這很重要，因?yàn)閴毫?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(dǎo)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(biāo)組織。

MEMS加速度傳感器在骨科、血壓監(jiān)測(cè)和醫(yī)療可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

MEMS陀螺儀傳感器應(yīng)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(yùn)動(dòng)的變化，并將這些運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為患者體內(nèi)的精確控制。）、關(guān)節(jié)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(dǎo)航系統(tǒng)或手術(shù)過(guò)程中使用的機(jī)器人助手中，外科醫(yī)生可以獲得有關(guān)關(guān)節(jié)定位和運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)反饋）。

在手術(shù)室外，陀螺儀醫(yī)療應(yīng)用還存在于康復(fù)和物理治療環(huán)境中。一些運(yùn)動(dòng)障礙或損傷會(huì)影響個(gè)人的平衡和協(xié)調(diào)性。在這些情況下，陀螺儀作為可穿戴設(shè)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(xùn)練他們的動(dòng)作。

運(yùn)用傳感器技術(shù)的導(dǎo)航產(chǎn)品如Bolt脊柱導(dǎo)航系統(tǒng)、iASSIST智能輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、OrthAlign的KneeAlign、HipAlign等、愛喬的IKPAS和IKBAS：

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

其中，IKPAS定位系統(tǒng)用于成人膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，術(shù)中可精準(zhǔn)測(cè)量股骨遠(yuǎn)端與脛骨平臺(tái)的截骨角度，精準(zhǔn)誤差小于1°。IKBAS膝關(guān)節(jié)軟組織張力測(cè)量?jī)x則提供通用型膝關(guān)節(jié)軟組織張力評(píng)估方案，多用于初次膝關(guān)節(jié)置換、復(fù)雜膝關(guān)節(jié)置換。

來(lái)自公司創(chuàng)始人兼CEO常濤某次采訪中提到“這兩款產(chǎn)品都是一次性數(shù)字化傳感器，輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的截骨定位和術(shù)中關(guān)節(jié)功能實(shí)時(shí)評(píng)估，后續(xù)還有多款數(shù)字化產(chǎn)品陸續(xù)上市。開發(fā)出真正滿足中國(guó)醫(yī)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)品開發(fā)理念?！?/p>

審核編輯：劉清