一文阅尽“霸屏”电子产品的MEMS及其工作原理

IC集成难度较大。表面声波（SAW）滤波器曾是手机天线双工器的中流砥柱。2005年，安捷伦科技推出基于MEMS体声波（BAW）谐振器的频率器件（滤波器），该技术能够节省四分之三的空间。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW没有运动部件，主要通过体积膨胀与收缩实现其功能。（另外一个非位移试MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件，例如基于相变材料的开关，加入不同电压可以使材料发生相变，分别为低阻和高阻状态，详见后续开关专题）。

　　在此值得一提的事，安华高Avago（前安捷伦半导体事业部）卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器（FBAR）（ film bulk acousTIc-wave resonator， 也有free standing的说法，这也是前段时间天津大学引发中美知识产权争议的东西）。得益于AlN氮化铝压电材料的沉积技术的巨大进步，AlN FBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR （Solidly Mounted Resonator）。其原理主要通过固体声波在上下表面反射形成谐振腔。

　　图6. FBAR示意图，压电薄膜悬空在腔体至上

　　图7. SMR示意图（非悬空结构，采用Bragg reflector布拉格反射层） （SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例）

　　图8. SMR声波能量幅度示意图

　　如图8所示，其中的红色线条表示震动幅度。固体声波在垂直方向发生反射，从而将能量集中于中间橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面，接近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面，无法达到完美反射，因此部分能量向下泄露。

　　图9 实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振，如果水平方向有谐振则会形成杂波。

　　图10所示为消除杂波前后等效导纳（即阻抗倒数，或者简单理解为电阻值倒数）特性对比。消除杂波后其特性曲线更平滑，效率更高，损耗更小，所形成的滤波器在同频带内的纹波更小。

　　图11所示为若干FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒对比，该滤波器比米粒还要小上许多。

　　可穿戴/植入式领域

　　图12. 用户与物联网

　　可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分，主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式（目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平）直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注，最感兴趣的话题了。大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感，这些器件与用户中间经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触，提升消费者科技感，更受年轻用户喜爱，例子可见Fitbit等健身手环。该领域最重要的主要有三大块：消费、健康及工业，我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环，还有智能手表等。健康领域，即医疗领域，主要包括诊断，治疗，监测和护理。比如助听、指标检测（如血压、血糖水平），体态监测。MEMS几乎可以实现人体所有感官功能，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉（如Honeywell电子鼻）、触觉等，各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度，速度，适用性都可以达到较高水平，同时由于其体积优势可直接植入人体，是医疗辅助设备中关键的组成部分。

　　传统大型医疗器械优势明显，精度高，但价格昂贵，普及难度较大，且一般一台设备只完成单一功能。相比之下，某些医疗目标可以通过MEMS技术，利用其体积小的优势，深入接触测量目标，在达到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。以所了解过的一些项目为例，通过MEMS传感器对体内某些指标进行测量，同时MEMS执行器（actuator）可直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗，同时系统可以通过MEMS能量收集器进行供电，多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输。个人认为，MEMS医疗前景广阔，不过离成熟运用还有不短的距离，尤其考虑到技术难度，可靠性，人体安全等。

　　图13. MEMS实现人体感官功能

　　可穿戴设备中最著名，流行的便数苹果手表了，其实苹果手表和苹果手表结构已经非常相似了，处理器、存储单元、通信单元、（MEMS）传感器单元等，因此对此不在赘叙。

　　图14. 苹果手表示意图*Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare

　　其他领域

　　投影仪

投影仪所采用的MEMS微镜如图15，16所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中扫描电镜图则是来自于TI的ElectrostaTIcally-driven digital mirrors for projection systems。每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑，通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚