MEMS：傳感器的微雕技藝

　　人通過感覺器官來感知自然界的多姿與多彩。而人的感覺器官常常被等同於五官。人的感覺器官主要是眼

、耳、鼻、舌
、皮膚等5種，但與人們常說的眼
、耳、鼻、口、舌這五官還是有區別的。這五種感知器官主要感知的是光、機械、熱等物理量，當然鼻和舌兼具感知化學量（如酸等）的功能。

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　　自然界中絕大多數物理量和化學量的變化都是連續的，因而被稱之為模擬量。而當今的計算機（有別於模擬計算機）能夠識別、處理、存cun儲chu的de卻que是shi離li散san量liang，或huo者zhe說shuo數shu字zi量liang，而er且qie在zai計ji算suan機ji的de信xin息xi處chu理li的de大da部bu分fen過guo程cheng中zhong

，信xin息xi都dou是shi以yi電dian為wei載zai體ti的de。因yin此ci，就jiu需xu要yao傳chuan感gan器qi來lai進jin行xing轉zhuan化hua。

　　通俗地說，傳感器就是將非電量的模擬量轉化成模擬的電信號。而這些轉換後的模擬電信號通常十分微弱，因此需要通過放大器放大後
，再經模/數轉化器轉換成數字信號，從而被計算機所識別和處理。

　　傳chuan感gan器qi對dui於yu物wu聯lian網wang之zhi所suo以yi重zhong要yao，是shi因yin為wei傳chuan感gan器qi在zai信xin息xi空kong間jian與yu自zi然ran界jie之zhi間jian搭da建jian了le一yi個ge溝gou通tong的de橋qiao梁liang。既ji然ran人ren對dui自zi然ran界jie的de日ri常chang感gan受shou大da都dou以yi物wu體ti的de物wu理li屬shu性xing為wei主zhu，那na麼me
，在zai龐pang大da的de傳chuan感gan器qi家jia族zu中zhong

，物wu理li量liang傳chuan感gan器qi的de種zhong類lei和he數shu量liang要yao遠yuan遠yuan超chao過guo化hua學xue量liang、生物量等非物理量傳感器。

　　傳感器有多種分類，如按被測量（位移）、被測參數（加速度傳感器）傳感材料（半導體傳感器）
、敏感機理（電容傳感器）

，甚至按應用類型（汽車傳感器）來分類。

　　bandaotichuanganqiyinnengtanceduozhongwuliliangqiezhizaorongyi，erdedaolejiaoweiguangfandeyingyong，dantayejinnengfugaichuanganqijiazudeyibufen，erqie
，zaiyouxiewuliliangdeceliangjingdushangyebunengdadaozuijiaxiaoguo，birushuo，zaiwenduceliangfangmian
，jingduyaoyuanyuanluohouyuredianou。

　　正是因為很多傳感器的敏感材料難以用矽來替代，而傳感器又都麵臨著小型化乃至微型化方麵的強勁需求
，所以MEMS有了大顯身手的機會。

　　意法半導體為iPhone 4提供的MEMS陀螺儀芯片的X射線透視圖（放大圖）

　　HI-MEMS項目中的犀牛甲蟲

　　始自本世紀初的國際合作超微衛星項目CubeSat

，重量小於1千克
，可以按積木方式組合

　　iPhone 4再掀陀螺儀熱

　　陀螺儀因為能夠探測方位、水平、位置、速度和加速度等的變化，因而廣泛應用於航空、航天、航海
、兵器（如導彈的慣性製導）等軍事領域。陀螺儀也曆經了從三軸高速旋轉的機電式陀螺儀到激光、光纖等固態陀螺儀的發展，直到MEMS陀螺儀的興起，陀螺儀才放下了高貴的身段，從高端的軍事應用走入大眾化的消費電子產品市場。

　　陀螺儀的道理並不新鮮

，它與三四十年前最流行的玩具之一——陀螺一樣，旋轉越快越穩定。但它卻足夠神奇。十年前，賽格威（Segway）電動車問世時，人們對於站在兩輪同軸的電動自行車上的騎行者高超的平衡技巧驚歎不已
，而真正的幕後功臣則是陀螺儀。

　　之後，陀螺儀又出現在孩子們的玩具中
，2006年11月，任天堂推出了Wii遊戲機，給人帶來較為真實的乒乓球等運動遊戲。盡管Wii在性能上遠遠比不上索尼和微軟的遊戲機，但因為嵌入的MEMS陀螺儀為Wii帶dai來lai了le全quan新xin的de遊you戲xi感gan受shou，因yin而er在zai銷xiao量liang上shang接jie近jin微wei軟ruan和he索suo尼ni遊you戲xi機ji銷xiao量liang的de總zong和he，讓rang被bei索suo尼ni和he微wei軟ruan擠ji壓ya多duo年nian的de遊you戲xi界jie老lao前qian輩bei任ren天tian堂tang得de以yi出chu口kou惡e氣qi。由you於yuWii可以通過互聯網來進行比賽，因而稱之為物聯網設備也不算牽強。

　　從技術上說，應該是MEMS成就了任天堂。如果沒有應用MEMSjishuzhizaodetuoluoyi
，name，shouchishiyouxikongzhiqidexiaxiaokongjianshinanyirongnatuoluoyide。tuiyibushuo，jibianshituoluoyinenggoufangjinqu，yuanlaidepingpangqiuyouxiyejiubianchenglejianshenyouxi，yinweituoluoyidezhongliangzuyirangyouxikongzhiqibianchengyaling。

　　在曆經了首款iPhone問世時的驚豔

，以及後續升級換代的改善後

，審美疲勞應該是喬布斯麵臨的最大挑戰。於是乎，蘋果在剛剛發布的iPhone 4中依葫蘆畫瓢，把MEMS陀螺儀嵌到手機中。但是與任天堂Wii的控製器與顯示器相互獨立不同，iPhone 4集控製器與顯示器於一身
，在玩運動遊戲時，手眼很難兼顧，除非iPhone 4利用無線去連接外部顯示器。有報道說，由於GPS進入隧道後會因為電磁波被屏蔽而失去作用，這時iPhone中的陀螺儀就能大顯身手了。

　　當然，這個賣點的充要條件必須是，隧道中遍布岔路口。否則，一旦進入隧道，不管你願意不願意
，有沒有GPS或者iPhone， 都得硬著頭皮走到底。

　　最近

，iFixit網站在暴力拆解iPhone4時發現，iPhone 4使用的是意法半導體公司生產的MEMS陀螺儀芯片——AGD1 2022 FP6AQ。但在意法半導體網站查不到這款芯片，最終在iFixit為該芯片做了一個全身X射線透視後，“潛伏”很深的3軸MEMS陀螺儀終於暴露。

　　皮星：太空中的無線傳感網

　　重量，長久以來被視為是衛星同時也是運載火箭的重要指標之一。從蘇
、美
、法、日、中、英等國第一顆人造地球衛星重量為數千克到上百千克，到2002年歐洲航天局發射的重達8000千克的環境監測衛星 “恩威薩特”號，與重量逐步增加的是衛星性能的持續增強。

　　但是近些年來在衛星高（性能）、大（體積）、全（功能）的發展主流之外，衛星的超微化引起了人們的重視。微小衛星大致上是以重量分類的：納星的重量在10千克~1千克之間，皮星的重量在1千克~100克之間，低於100克的被稱之為飛星。

　　“麻雀雖小，五髒俱全”。衛星所具有的電池、軌道控製和定位係統、無線電通信係統等自身控製功能，超微型衛星一應俱全，如果沒有MEMS技術，這是難以實現的。

　　超chao微wei衛wei星xing因yin為wei重zhong量liang輕qing
，發fa射she費fei用yong較jiao之zhi常chang規gui衛wei星xing呈cheng數shu量liang級ji下xia降jiang，衛wei星xing的de製zhi造zao成cheng本ben也ye顯xian著zhu下xia降jiang，以yi至zhi於yu一yi些xie高gao校xiao也ye有you財cai力li來lai製zhi造zao衛wei星xing。在zai我wo國guo，哈ha工gong大da和he清qing華hua大da學xue發fa射she過guo納na星xing，浙zhe江jiang大da學xue則ze發fa射she過guo一yi顆ke皮pi星xing。

　　而er超chao微wei衛wei星xing最zui大da的de好hao處chu是shi可ke以yi像xiang分fen布bu式shi計ji算suan機ji係xi統tong那na樣yang，將jiang多duo顆ke衛wei星xing作zuo分fen布bu式shi布bu局ju。這zhe樣yang不bu但dan可ke以yi提ti高gao可ke靠kao性xing
，當dang數shu量liang足zu夠gou多duo時shi，性xing能neng還hai可ke以yi超chao過guo單dan顆ke常chang規gui衛wei星xing
，而er且qie，可ke以yi通tong過guo適shi時shi發fa射she搭da載zai新xin的de應ying用yong的de超chao微wei衛wei星xing來lai升sheng級ji超chao微wei衛wei星xing網wang絡luo，而er常chang規gui衛wei星xing發fa射she後hou
，很hen難nan增zeng加jia新xin的de應ying用yong。超chao微wei衛wei星xing還hai有you一yi個ge優you勢shi是shi：一旦失效，在重返大氣層時就會完全燒毀，而前文中提到的重達8000千克的“恩威薩特”號到了2013年將會失效，現在人們已經開始擔心這個龐然大物墜毀時的安全問題。

　　星雲狀分布的超微衛星網絡與無線傳感器網絡相差無幾，區別在於
，一個天上一個地下，一個較貴一個較便宜罷了。

　　HI-MEMS：一半是昆蟲一半是機器

　　2010年1月美國加州大學伯克利分校的研究人員做了一個演示。他們將6個神經電極刺入犀牛甲蟲的蛹中，當犀牛甲蟲成熟後，它們就能接收電信號。實驗人員通過無線電可以遙控犀牛甲蟲進行起飛

、著陸，向前向後飛行
，向左向右轉彎。鑒於微型控製板和電池的總重量為1.3克，而犀牛甲蟲能夠攜帶大約3克的物體飛行，因此，犀牛甲蟲還有很大的餘力來攜帶微型的傳感器、攝像頭或者麥克風等裝置。

　　這個項目是美國國防部高技術計劃局（DARPA）資助的“混合昆蟲微機電係統”（HI-MEMS）項目。

　　然而，這種創新在很大程度上令人擔憂。