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于五官。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(qū)別的。這五種感知器官主要感知的是光、機(jī)械、熱等物理量，當(dāng)然鼻和舌兼具感知化學(xué)量(如酸等)的功能。

　　自然界中絕大多數(shù)物理量和化學(xué)量的變化都是連續(xù)的，因而被稱之為模擬量。而當(dāng)今的計(jì)算機(jī)(有別于模擬計(jì)算機(jī))能夠識(shí)別、處理、存儲(chǔ)的卻是離散量，或者說數(shù)字量，而且在計(jì)算機(jī)的信息處理的大部分過程中，信息都是以電為載體的。因此，就需要傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

　　通俗地說，傳感器就是將非電量的模擬量轉(zhuǎn)化成模擬的電信號(hào)。而這些轉(zhuǎn)換后的模擬電信號(hào)通常十分微弱，因此需要通過放大器放大后，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而被計(jì)算機(jī)所識(shí)別和處理。

　　傳感器對于物聯(lián)網(wǎng)之所以重要，是因?yàn)閭鞲衅髟谛畔⒖臻g與自然界之間搭建了一個(gè)溝通的橋梁。既然人對自然界的日常感受大都以物體的物理屬性為主，那么，在龐大的傳感器家族中，物理量傳感器的種類和數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過化學(xué)量、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(shù)(加速度傳感器)傳感材料(半導(dǎo)體傳感器)、敏感機(jī)理(電容傳感器)，甚至按應(yīng)用類型(汽車傳感器)來分類。

　　半導(dǎo)體傳感器因能探測多種物理量且制造容易，而得到了較為廣泛的應(yīng)用，但它也僅能覆蓋傳感器家族的一部分，而且，在有些物理量的測量精度上也不能達(dá)到最佳效果，比如說，在溫度測量方面，精度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于熱電耦。

　　正是因?yàn)楹芏鄠鞲衅鞯拿舾胁牧想y以用硅來替代，而傳感器又都面臨著小型化乃至微型化方面的強(qiáng)勁需求，所以MEMS有了大顯身手的機(jī)會(huì)。

　　iPhone 4再掀陀螺儀熱

　　陀螺儀因?yàn)槟軌蛱綔y方位、水平、位置、速度和加速度等的變化，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器(如導(dǎo)彈的慣性制導(dǎo))等軍事領(lǐng)域。陀螺儀也歷經(jīng)了從三軸高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)電式陀螺儀到激光、光纖等固態(tài)陀螺儀的發(fā)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(yīng)用走入大眾化的消費(fèi)電子產(chǎn)品市場。

　　陀螺儀的道理并不新鮮，它與三四十年前最流行的玩具之一——陀螺一樣，旋轉(zhuǎn)越快越穩(wěn)定。但它卻足夠神奇。十年前，賽格威(Segway)電動(dòng)車問世時(shí)，人們對于站在兩輪同軸的電動(dòng)自行車上的騎行者高超的平衡技巧驚嘆不已，而真正的幕后功臣則是陀螺儀。

　　之后，陀螺儀又出現(xiàn)在孩子們的玩具中，2006年11月，任天堂推出了Wii游戲機(jī)，給人帶來較為真實(shí)的乒乓球等運(yùn)動(dòng)游戲。盡管Wii在性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上索尼和微軟的游戲機(jī)，但因?yàn)榍度氲腗EMS陀螺儀為Wii帶來了全新的游戲感受，因而在銷量上接近微軟和索尼游戲機(jī)銷量的總和，讓被索尼和微軟擠壓多年的游戲界老前輩任天堂得以出口惡氣。由于Wii可以通過互聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行比賽，因而稱之為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也不算牽強(qiáng)。

　　從技術(shù)上說，應(yīng)該是MEMS成就了任天堂。如果沒有應(yīng)用MEMS技術(shù)制造的陀螺儀，那么，手持式游戲控制器的狹小空間是難以容納陀螺儀的。退一步說，即便是陀螺儀能夠放進(jìn)去，原來的乒乓球游戲也就變成了健身游戲，因?yàn)橥勇輧x的重量足以讓游戲控制器變成啞鈴。

　　在歷經(jīng)了首款iPhone問世時(shí)的驚艷，以及后續(xù)升級(jí)換代的改善后，審美疲勞應(yīng)該是喬布斯面臨的最大挑戰(zhàn)。于是乎，蘋果在剛剛發(fā)布的iPhone 4中依葫蘆畫瓢，把MEMS陀螺儀嵌到手機(jī)中。但是與任天堂Wii的控制器與顯示器相互獨(dú)立不同，iPhone 4集控制器與顯示器于一身，在玩運(yùn)動(dòng)游戲時(shí)，手眼很難兼顧，除非iPhone 4利用無線去連接外部顯示器。有報(bào)道說，由于GPS進(jìn)入隧道后會(huì)因?yàn)殡姶挪ū黄帘味プ饔茫@時(shí)iPhone中的陀螺儀就能大顯身手了。

　　當(dāng)然，這個(gè)賣點(diǎn)的充要條件必須是，隧道中遍布岔路口。否則，一旦進(jìn)入隧道，不管你愿意不愿意，有沒有GPS或者iPhone， 都得硬著頭皮走到底。

　　最近，iFixit網(wǎng)站在暴力拆解iPhone4時(shí)發(fā)現(xiàn)，iPhone 4使用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MEMS陀螺儀芯片——AGD1 2022 FP6AQ。但在意法半導(dǎo)體網(wǎng)站查不到這款芯片，最終在iFixit為該芯片做了一個(gè)全身X射線透視后，“潛伏”很深的3軸MEMS陀螺儀終于暴露。

　　皮星：太空中的無線傳感網(wǎng)

　　重量，長久以來被視為是衛(wèi)星同時(shí)也是運(yùn)載火箭的重要指標(biāo)之一。從蘇、美、法、日、中、英等國第一顆人造地球衛(wèi)星重量為數(shù)千克到上百千克，到2002年歐洲航天局發(fā)射的重達(dá)8000千克的環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星 “恩威薩特”號(hào)，與重量逐步增加的是衛(wèi)星性能的持續(xù)增強(qiáng)。

　　但是近些年來在衛(wèi)星高(性能)、大(體積)、全(功能)的發(fā)展主流之外，衛(wèi)星的超微化引起了人們的重視。微小衛(wèi)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，低于100克的被稱之為飛星。

　　“麻雀雖小，五臟俱全”。衛(wèi)星所具有的電池、軌道控制和定位系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)等自身控制功能，超微型衛(wèi)星一應(yīng)俱全，如果沒有MEMS技術(shù)，這是難以實(shí)現(xiàn)的。

　　超微衛(wèi)星因?yàn)橹亓枯p，發(fā)射費(fèi)用較之常規(guī)衛(wèi)星呈數(shù)量級(jí)下降，衛(wèi)星的制造成本也顯著下降，以至于一些高校也有財(cái)力來制造衛(wèi)星。在我國，哈工大和清華大學(xué)發(fā)射過納星，浙江大學(xué)則發(fā)射過一顆皮星。

　　而超微衛(wèi)星最大的好處是可以像分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)那樣，將多顆衛(wèi)星作分布式布局。這樣不但可以提高可靠性，當(dāng)數(shù)量足夠多時(shí)，性能還可以超過單顆常規(guī)衛(wèi)星，而且，可以通過適時(shí)發(fā)射搭載新的應(yīng)用的超微衛(wèi)星來升級(jí)超微衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而常規(guī)衛(wèi)星發(fā)射后，很難增加新的應(yīng)用。超微衛(wèi)星還有一個(gè)優(yōu)勢是：一旦失效，在重返大氣層時(shí)就會(huì)完全燒毀，而前文中提到的重達(dá)8000千克的“恩威薩特”號(hào)到了2013年將會(huì)失效，現(xiàn)在人們已經(jīng)開始擔(dān)心這個(gè)龐然大物墜毀時(shí)的安全問題。

　　星云狀分布的超微衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相差無幾，區(qū)別在于，一個(gè)天上一個(gè)地下，一個(gè)較貴一個(gè)較便宜罷了。

　　HI-MEMS：一半是昆蟲一半是機(jī)器

　　2010年1月美國加州大學(xué)伯克利分校的研究人員做了一個(gè)演示。他們將6個(gè)神經(jīng)電極刺入犀牛甲蟲的蛹中，當(dāng)犀牛甲蟲成熟后，它們就能接收電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)人員通過無線電可以遙控犀牛甲蟲進(jìn)行起飛、著陸，向前向后飛行，向左向右轉(zhuǎn)彎。鑒于微型控制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余力來攜帶微型的傳感器、攝像頭或者麥克風(fēng)等裝置。

　　這個(gè)項(xiàng)目是美國國防部高技術(shù)計(jì)劃局(DARPA)資助的“混合昆蟲微機(jī)電系統(tǒng)”(HI-MEMS)項(xiàng)目。

　　然而，這種創(chuàng)新在很大程度上令人擔(dān)憂。