微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器作為融合微機(jī)械加工與微電子技術(shù)的微型化感知器件，通過將機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感元件與信號(hào)處理電路集成于硅基芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)力、熱、聲、光等物理量的高精度檢測(cè)，其體積通常在微米至毫米量級(jí)，卻能完成傳統(tǒng)傳感器的核心功能。這種 “微縮化” 革命不僅推動(dòng)了傳感器的低成本、批量化生產(chǎn)，更打破了物理尺寸對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的限制，使感知能力滲透到從消費(fèi)電子到航空航天的各個(gè)領(lǐng)域。自 20 世紀(jì) 80 年代首款 MEMS 壓力傳感器商業(yè)化以來，其市場(chǎng)規(guī)模已從百萬(wàn)美元級(jí)增長(zhǎng)至千億美元級(jí)，成為現(xiàn)代信息社會(huì)的 “神經(jīng)末梢”。本文將系統(tǒng)闡述 MEMS 傳感器的工作原理、技術(shù)演進(jìn)、應(yīng)用場(chǎng)景及發(fā)展瓶頸，揭示其在智能化浪潮中的核心推動(dòng)作用。

MEMS 傳感器的工作原理建立在微觀尺度下的物理效應(yīng)與信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)制之上，其核心是通過微機(jī)械結(jié)構(gòu)的形變或運(yùn)動(dòng)將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)。以最常見的電容式 MEMS 加速度計(jì)為例，其內(nèi)部包含由彈簧結(jié)構(gòu)懸掛的質(zhì)量塊，當(dāng)受到加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，導(dǎo)致上下電極間的電容變化，通過檢測(cè)電容差值即可反演加速度大小，這種結(jié)構(gòu)的靈敏度可達(dá) 10μg（μg 為重力加速度單位）。壓阻式傳感器則利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)微懸臂梁受力彎曲時(shí)，其電阻隨應(yīng)力變化，通過惠斯通電橋?qū)㈦娮枳兓D(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，廣泛用于壓力檢測(cè)，精度可達(dá) 0.1kPa。此外，還有基于壓電效應(yīng)的振動(dòng)傳感器（如石英微諧振器）、基于熱傳導(dǎo)的氣體傳感器（如微熱板結(jié)構(gòu)）等，不同原理的 MEMS 器件共同構(gòu)成了覆蓋多物理量的感知網(wǎng)絡(luò)。這些微觀結(jié)構(gòu)的加工依賴精密的微制造技術(shù)，包括光刻（定義圖案）、蝕刻（刻蝕三維結(jié)構(gòu)）、鍵合（層間連接）等工藝，其中深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）可實(shí)現(xiàn)深寬比達(dá) 50:1 的垂直結(jié)構(gòu)，為高精度機(jī)械部件的制造提供了可能。

MEMS 傳感器的技術(shù)演進(jìn)始終圍繞 “性能提升” 與 “場(chǎng)景拓展” 兩大主線展開，呈現(xiàn)出清晰的代際跨越。早期的 MEMS 器件以單一功能為主，1979 年美國(guó) Honeywell 公司研制的硅基壓力傳感器雖實(shí)現(xiàn)了微型化，但溫度漂移較大，僅用于工業(yè)管道監(jiān)測(cè)。20 世紀(jì) 90 年代，隨著表面微加工技術(shù)的成熟，多晶硅材料的應(yīng)用使 MEMS 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯著提升，Analog Devices 公司推出的 ADXL50 加速度計(jì)將體積縮小至 5mm×5mm，成功應(yīng)用于汽車安全氣囊系統(tǒng)，開啟了 MEMS 傳感器的規(guī)模化應(yīng)用時(shí)代。進(jìn)入 21 世紀(jì)后，體硅加工與晶圓級(jí)封裝技術(shù)的突破推動(dòng)了高精度器件的發(fā)展，2005 年 Bosch 公司的 MEMS 陀螺儀精度達(dá)到 ±25°/h，為智能手機(jī)的屏幕旋轉(zhuǎn)功能提供了核心支持。近年來，MEMS 技術(shù)正邁向 “智能集成” 階段，通過將傳感器與微處理器、無線通信模塊集成，形成 “感知 - 計(jì)算 - 傳輸” 一體化系統(tǒng)，如德州儀器的 CC2530 芯片集成了溫度、濕度傳感器與 ZigBee 通信功能，可直接用于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署。材料創(chuàng)新也成為技術(shù)突破的關(guān)鍵，柔性 MEMS 傳感器采用聚酰亞胺等彈性材料，可貼附于人體皮膚實(shí)現(xiàn)生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，拉伸形變可達(dá) 50% 而不失效。