原创 《一砂一世界》书评 消费市场的MEMS应用

本书从MEMS结构原理介绍讲起，分别介绍了MEMS的设计/制造/封装和测试流程。

然后介绍了一些对于工程师进行产品或方案研发可能用到的MEMS传感器，详细介绍了各类MEMS传感器的多种实现原理和主流应用方案。

第三章介绍了生活中MEMS的广阔应用，从消费类产品到汽车到军工行业。学习MEMS技术有广阔的应用前景。

后两张介绍了全球MEMS上游研发企业的布局和发展，分析MEMS产业发展和投资的主流方向。

结构原理

简单来说，MEMS是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术。

微电子技术自不必说，研究的是在固体（主要是半导体）材料上构成的微小化电路，即集成电路技术。

那么什么是机械系统呢？

根据标准动力学方程可知，拥有质量/阻尼和刚度三个基本元素的系统我们就可以称之为机械系统。

当我们把这些机械装置或者系统尽可能的微型化，那么借助于这种微小的机械系统，一些来自环境中的信号可以被转换为机械系统中的一种运动状态。比如说常用的加速度传感器，就是将设备所具有的加速度状态转化为一种机械位移，产生的机械位移改变电容板间距，最终就可以通过测量电容板间的电容变化来计算出加速度。

加速度传感器只是成千上万种MEMS设备中的一种，但设计的本质思路是一致的，即运用当下最先进的半导体设计制造工艺，前沿的新材料技术研究以及很多最新的基础理论研究成果，实现物理信号采集处理并转化成电信号的微型化器件。

MEMS应用

生活中有哪些MEMS的产品呢？

消费类产品

1. 以手机为例，手机作为当今最为普及的电子设备，包含了大量的MEMS器件

a.触摸屏作为人机交互最常用的接口，将用户的触摸动作转化成电信号传递给手机处理器，处理器根据用户的行为提供相应的反馈，手机触摸屏大都已经从原先的电阻屏升级到电容屏。电容屏能够实现像素级精度（手写绘画操作），多点触摸，外层使用玻璃，不容易刮花等优势，部分手机还提供3D touch功能实现按压强度的交互。

b.指纹传感器最近几年也得到了极大普及，小米等厂商千元机也标配。指纹传感器有多种实现方案，光学/电容/热敏/压感/超声波/RF。目前最为普及的是光学指纹方案，主要利用光的折射和反射原理。这个领域诞生了国内第一家市值破千亿的上市公司--汇顶科技，汇顶指纹模组支持屏下指纹识别年出货上亿，基本覆盖所有Android中高端机型，Iphone在新机型抛弃指纹识别转而应用faceID面部识别，这也造成了目前Android和Iphone阵营微小的硬件差别。

c.麦克风将声音转换为电信号，设计要考虑体积/降噪，目前手机采用驻极体电容式麦克风，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化，声波引起驻极体薄膜振动而产生位移，是不是和加速度传感器的原理有点像，都是转换成电容板位移，测量电容。

d.重力传感器应用在手机自动横屏，游戏控制，实现原理可以依据压电效应/电容效应/热汽泡效应/光效应等不同方案实现，但最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生形变，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

e.其他的手机传感器还包括光纤传感器/距离传感器/GPS/陀螺仪/霍尔传感器等，可以参考书中P98

2. 穿戴设备，现在出货量比较大的有小米手环和Apple watch, 设备多包含心率传感器和血氧传感器等测量健康数据，9轴传感器测量运动数据

3. 车载电子是一个更大市场，也包含更多MEMS传感装置，据统计目前一辆整车包含100多颗MCU,每颗MCU都外挂多颗传感器。书中有具体描述参考P108

4. 军工产业，导弹制导 

电子产品开发

电子工程师可以体验一下ST的MPU6050，在自己的项目中实现方向和角度的控制，简单的产品方案可以参考基于6轴传感器融合PID算法的二轮平衡车实现。

需要应用更多传感装置可以参考书中第二章内容，详细介绍了传感MEMS技术/生物MEMS技术/光学MEMS技术和射频MEMS 技术

行业和资本

智能音箱和TWS蓝牙耳机近两年爆发式增长，相关的产业链也相应收益，增长强劲。

其中智能音响的主要应用场景为家庭室内，主要技术难点包括多阵列麦克风/远场试音/音源定位/语音识别等。目前国内厂商包括天猫精灵和小度在家，国外有amazon echo/Google home/apple homepod等。

TWS耳机则是另一个消费电子高增长领域，TWS是英文True Wireless Stereo的缩写，即真正无线立体声的意思，TWS技术同样也是基于蓝牙芯片技术的发展。按其工作原理来说是指手机通过连接主耳机，再由主耳机通过无线方式快速连接副耳机，实现真正的蓝牙左右声道无线分离使用。不连接从音箱时，主音箱回到单声道音质。苹果的Airpods是目前最优秀的TWS产品。

对于这些产品的供应链上游，MEMS麦克风是必须采购的产品，国内歌尔声学/瑞声科技正在逐步抢占MEMS麦克风器件市场。

不同于半导体产业，MEMS的研发需要更加综合的技术背景，如光学研究/新材料研发。各个巨头也都占据着不同的行业MEMES市场份额，比如国内的汇顶就基本垄断指纹识别市场，ST占据全球60%的陀螺仪市场，