MEMS传感器技术详解和物联网应用

成都亿佰特

MEMS传感器即微机电系统（Micro-electro Mechanical Systems），是指将精密机械系统与微电子电路技术结合发展出来的一项工程技术，它的尺寸一般在微米量级。封装技术是MEMS传感器成功的关键，其技术包括SIP（系统级封装）、WLP（晶圆级封装）、三维硅穿孔（TSV）等，通过三维堆叠技术，将微型化后的传感器机械部件与其他微电子组件集成，最后根据不同的应用场景来采用不同的封装形式，最终组装而成。

一、优势

相比传统的机械传感器，MEMS具有着巨大的竞争优势：

1.MEMS传感器具有着体积小、重量轻、功耗低的特点。

其内部结构可达微米甚至纳米量级。同时其内部的机械部件由于微型化后会具有惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。

2.MEMS可通过硅微加工工艺进行批量制造、封装、测试。

以单个5mm*5mm尺寸的MEMS器件为例，在一片16英寸的硅片晶圆上可同时切割出大约4000个芯片，可以降低器件的生产成本。根据Yole Development的研究，单个MEMS的平均成本在0.1-1美元之间。

3.随着MEMS技术及工艺的发展，现在倾向于单个MEMS芯片中整合更多的功能，实现更高的集成度。

例如惯性传感器IMU，从以前的分立式惯性传感器到现在的MPU6050芯片，其中集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。在未来,系统级的高度集成化将会是MEMS未来在互联网应用场合的主要承载形式。

4.MEMS采用硅基加工工艺，硅具有与铁相当的强度、硬度，类似铝的密度，热传导率接近钼和钨，所以其可兼容传统IC生产工艺。

5.MEMS是涉及机械、半导体、电子、物理、生物、材料等学科的交叉领域。并且它集成了很多当今科学技术发展的尖端成果。

二、应用

1.无人机领域

十几年前可能消费级无人机还没有在市场占有一席之地，而现在更多的人听到无人机可能想到的就是大疆精灵系列、御Mavic系列等。产生无人机市场这么大的变化的关键就是高性能的MEMS传感器的出现。

在无人机控制系统，最重要的传感器就是惯性测量单元IMU了。典型的6轴IMU包括3轴MEMS加速度计和陀螺仪。通过传感器测量参数以及姿态解算算法，就可以确定无人机的轨迹。随着MEMS技术的升级，IMU本身所获得数据的准确性、传感器整合度以及体积进一步微型化都会得到提升。

2.投影显示

基于DMD技术的数字光线处理（DLP）投影技术较于LCD液晶显示有着更高的对比度，并且画面更清晰、稳定。由于采用MEMS技术，运用了发射光成像的光学原理，实现了图像处理数字化。

因此它被广泛用于桌面投影机、商务投影机、电影院放映，尤其在大屏幕投影拼接显示领域。此外在医疗成像、光谱分析、光学测量和无掩模光刻及结构照明等方面也占据着主导地位。

三、展望

虽然MEMS行业受疫情影响，发展速度有所减缓，但是整体趋势还是一片向好。主要体现在工业控制、医疗电子、高端消费电子（无人机）、汽车电子等多个领域的高速发展，推动着MEMS市场的持续增长。同时伴随着第三次MEMS产业化浪潮的不断推进，MEMS行业预计到2026年，市场规模将迎来突破性增长。