MEMS 传感器发展甚好，但革新才刚刚开始

如今，市面上各种低成本、高性能微机电系统 (MEMS) 传感器可谓是遍地开花，但一开始却并非如此。MEMS 大规模市场化始于 1991 年：经过仿真、固态物理、工艺技术、包装和测试等领域长达十年的技术攻坚战，Analog Devices 推出了 ADXL50 单轴加速计（现已过时），而直至 1993 年才开始批量生产（图 1）。

图 1：全模拟器件 ADXL50 是市面上首款大规模市场化的 MEMS 加速计，主要应用于汽车安全气囊；该器件的模拟输出完全可调节，可将其数字化或直接应用于比较器电路。（图片来源：Analog Devices）

该器件尺寸为 5 mm × 5 mm，采用的颠覆性技术仅仅针对单一应用：触发汽车安全气囊。当时安全气囊刚引入市场，尚未强制要求。在 MEMS 传感器上市之前，安全气囊触发器大多采用 Allen K. Breed 于 1967 年开发的传感器。这种传感器使用管中移动的滚珠作为质量块，碰撞减速会使滚珠与固定磁铁分离并触发小型电气开关，进而使电路闭合，引爆气囊中的化学物质。

然而，首款 MEMS 传感器尺寸更小巧、成本更低廉、封装更简单，这还只是最基本的优势。更重要的是，自此，加速度检测从“是/否”逻辑输出转变为检测值的模拟数据流输出，从而将实际加速度波形纳入触发算法。

ADLX50 在 1999 年就已停产，由更先进的 MEMS 器件取代，但该器件在当时的“深远影响”显而易见。此后的器件在传感器自校准方面可靠性较高（对于大多数传感器都至关重要），增加了内部信号调节、模数转换器 (ADC)、微控制器接口及其他易用功能。曾经测量难度大、成本高的参数（尺寸、重量、功率）一时间变得轻而易举。

不过，技术革新岂能止步于此？很快，供应商就相继推出了双轴甚至三轴加速计，首先是微型模块，紧接着便是单芯片器件。一时之间，运动感应甚至导航等应用都变得切实可行（基本物理原理：对加速度进行积分以求得速度；对速度进行积分以求得位移）。

很快，这些小型器件就增加了振动 MEMS 音叉，成为陀螺仪和全惯性测量装置 (IMU)，多数情况下，可用于取代篮球大小的 IMU（>100 lb，>200 W）。50 年前（1969 年 7 月），正是这种 IMU 引导宇航员登月。同样可取代的还有 20 世纪 80 年代就已相当成熟的环形激光陀螺仪 (RLG) 和光纤陀螺仪 (FOG)。

一时之间，曾经不可企及的加速/定位应用以及无人机引导的核心，都可以使用微型 IMU。例如，STMicroelectronics 的 LSM6DSOXTR 三轴 IMU（满量程范围为 ±2/±4/±8/±16 g），采用14 引脚封装，尺寸仅为 2.5 mm × 3 mm × 0.83 mm，电流仅为 0.55 mA，附带 SPI 和 I²C 接口。

事情发展好的超乎想像！其他加速计很快用于电子图像稳定，解决了此前只能使用机械陀螺仪稳定万向平台的问题。通过修订，某些构想可用于 MEMS 麦克风。不过，原理上虽与加速计大体类似，论及实现则全然不同。

MEMS 创新及其应用才刚刚起步

仅凭上述示例，貌似 MEMS 技术的应用范围仅限于各种加速度传感器，而事实并非如此。如今的 MEMS 器件应用大多与加速度无关。

例如，Texas Instruments 率先通过数字光处理 (DLP) IC 的微镜来控制光的方向，最初计划应用于大屏幕显示器和微型投影仪。该公司推出的 DLP6500 具有由 200 多万个微镜组成的 1080p (1920 × 1080) 阵列，可用作空间光调制器 (SLM) 以控制入射光的幅度、方向和/或相位（图 2）。

图 2：Texas Instruments 的 DLP6500 DLP IC 提供完全可寻址、可精确控制的光束控制，可控制阵列中 200 多万个像素。（图片来源：Texas Instruments）

除了基本投影外，TI 还宣布了对经典的“全新演绎”：汽车大灯随方向盘转动（20 世纪 40 年代末首次提出该创意用于 Tucker 48 汽车！）。该公司推出的 DLP5531 是一款基于 MEMS 的电子转向装置，无需使用齿轮、电机和轴承，完全可编程，每个大灯都具有百万余个可寻址像素的高分辨率。

对于非光学射频领域，Analog Devices 推出的 ADGM1004 四刀单掷 (4PST) MEMS 悬臂式开关，可处理的射频信号带宽为 0 Hz (DC) 至 13 GHz（图 3）。该器件具有双向金属触点接触开关，可将电路中的射频信号引导至四个输出端口之一，或选择四个输入信号之一并引导至输出。这类开关广泛应用于射频信号链上的多个点，或者用于测试阵列和矩阵。

图 3：Analog Devices 扩展了 MEMS 技术的基础，创造出悬臂式结构，为 4PST 射频开关提供金属对金属触点，带宽为 DC 至 13 GHz。（图片来源：Analog Devices）

此外，大学研究团队还将 MEMS 技术作为独一无二的设备构建基础，否则这些设备就无法制造。片上加速器国际计划 (AChIP) 是由美国 Gordon and Betty Moore 基金会资助的全球性项目。该项目试图开发一款微型硅基电子加速器，能在硅芯片上生成 1 MeV 能量的电子脉冲，时间范围达飞秒至阿托秒（10^-15 至 10^-18 s）级。这与目前长达一英里的电子加速器结构形成了鲜明对比。

"Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip"（《基于光子的激光驱动粒子加速：从概念验证体系到片上加速计》）对该项目进行了深入的探讨；《物理评论快报》上发表的论文 "Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration"（《用于介电激光加速的交替相位聚焦》）对该项目的一个方面进行了详细论述。文中，达姆施塔特工业大学 AChIP 项目加速器物理小组的工程师，详细说明了如何构建微型 MEMS 通道以及使用全新电子束聚焦方法取代传统磁聚焦方法，后者已不适用于该项目（图 4）。

图 4：硅基双柱结构使用基于激光的光学相位控制来聚焦电子加速和减速区域。（图片来源：达姆施塔特工业大学）

另一个 MEMS 创新项目则将目标对准了更为普通的物联网 (IoT) 领域。美国东北大学团队开发了一款基于 MEMS 的开关，休眠待机模式下功耗为零，经红外线 (IR) 照射则会被“唤醒”（图 5）。该团队开发的等离子体增强微机械光开关 (PMP)，通过转换少量特定光谱带内的光子能量来激活 MEMS 机构。一旦用于激活的红外能量移除，开关就会自动断开。

图 5：PMP 的每个悬臂都包含一个端头，一对用于致动的热敏双材料内臂，一对用于温度和应力补偿的同材料外臂，以及一对用于连接内臂和外臂的隔热导线 (a)。图 (b) 为入射光束撞击四个 PMP 的概念图，每个 PMP 可“接收”的红外辐射带各有不同。图 (c) 为实际制造的 PMP 开关“机构”的扫描电子显微镜伪色图，突出显示了等离子体吸收器、碗形接触尖头，以及由 Al 和 SiO2 构成的自校准双材料支臂末端。（图片来源：美国东北大学/自然-纳米技术）

他们于《自然-纳米技术》上发表的论文 "Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced  micromechanical photoswitches"（《基于等离子体增强微机械光开关的零功率红外数字化仪》）提供了全部技术细节。红外线吸收转换的物理原理基于等离子体，即金属受光子撞击后生成的沿金属表面移动的电子波。等离子体吸收器由三种材料堆叠而成，上层是 50 nm 厚的金纳米颗粒阵列，中层是 100 nm 厚的介电层，下层是 100 nm 厚的铂板（见图 5）。该开关可吸收特定波长的红外电磁辐射能量，用以闭合机械开关触点。

结语

自最初作为触发安全气囊的加速计传感器问世以来，基于 MEMS 的技术已经取得了长足发展。经过多次扩展和演变后，该技术支持的应用可谓是多种多样，包括通过微镜实现光束控制和基于触点的射频开关。与此同时，顶尖大学的研究正将 MEMS 技术进一步应用到普通应用和艰深的科学领域。套用一句老话，推动 MEMS 技术和工具的发展过程中，只要有想象力、有激情，一切皆有可能。

参考资料：

1 – Analog Devices，ADXL50 规格书（已过时）

2 – Patrick L. Walter, "The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006, " Sound and Vibration, January 2007.

3 – Tekla S. Perry, "Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMS," IEEE Spectrum, May 2019.