一种单片 CMOS‑MEMS SoC，具有 1.8 mm/s 和 2 mK 分辨率的微悬臂阵列用于流量和温度传感

更小的芯片，更智能的感知

跟踪温度、气流乃至微小的光变化，对于从污染监测到病患呼吸监测等诸多应用都至关重要。如今通常需要多个独立传感器，各自配套电子电路和布线。本文介绍了一枚指甲大小的单芯片，利用微观振动梁和片上电子学即可高精度地感测流量、温度和光。这样高度灵敏的多合一传感器有望把环境监测、医疗设备和可穿戴设备缩小为简单、低功耗的贴片或插头式装置。

感知环境的微型梁

芯片的核心是一排微悬臂——细长梁，厚度小于人发丝，一端固定、另一端自由。这些梁由两层在受热时膨胀差异不同的材料构成。当温度升高或光使表面变暖时，材料热膨胀不一致会使每根梁轻微弯曲。同样，当气流横过芯片时，流体的压力会将梁向下推移。研究人员将这种弯曲转化为电信号：通过形成一个微小电容器，随着弯曲梁与下方电极之间的间隙变小，电容增加，这一变化可以被测量出来。

以频率“倾听”的电子学，而非电压

芯片电子学不是直接测量微小电压变化，而是把变化的电容转换为振荡频率的变化——类似电子“心跳”，其速率加快或减慢。由一连串简单逻辑元件构成的环形振荡器，其节奏取决于来自梁阵列的总电容。由固定梁构成的匹配“参考”电容有助于抵消电路自身产生的不希望有的漂移。附加电路比较传感和参考信号，随后相位锁定环将产生的频差乘频，使其便于数字计数和读取。由于信息以频率而非绝对电压承载，该系统对噪声和漂移具有天然的鲁棒性。

对热、气流和光的高精度

通过谨慎选择梁的长度和宽度，并模拟它们在热和压下的弯曲行为，团队将结构调校以兼顾灵敏度与耐用性。随后他们采用标准半导体工艺并加几道微加工步骤来释放可动梁以完成制造。测试表明，从室温到 100 °C 输出频率几乎与温度线性相关，相当于约 2.3 毫摄氏度（2.3×10⁻³ °C）的温度分辨率——足以检测极小的热变化。在使用氮气的气流测试中，输出频率随流速平方呈可预测曲线，使其能检测到以毫米每秒计的微小变化，并在高达 130 米每秒的很高流速下仍保持灵敏度。对显微镜光源的额外实验显示，即使在相对较弱的照明下也能观察到明显的频率偏移，证实光热弯曲也能提供可用信号。

从实验台走向真实应用

与早期的集成流量与温度传感器相比，这款新芯片在更小的面积内集成了更多功能，功耗仅为几毫瓦。它的微悬臂设计与低电子噪声赋予其优于许多同类器件的分辨率，而且相同的基本结构可对多种输入——热、流和光——作出响应，无需独立传感器。作者认为，借助片上校准和更智能的信号处理，类似芯片可被改造成用于监测呼吸、通过软性封装检测血流脉动或追踪细微的环境变化，全部集成在一个紧凑、可制造的系统中。

这为何重要

简言之，研究人员构建了一个超灵敏的“电子触觉器”，能在单枚标准工厂可批量生产的微芯片上检测空气运动、温度和光的微小变化。通过将微观梁的机械弯曲转换为清晰的频率变化，该器件既提供高精度又便于数字读取。灵敏度、体积与多功能性的结合使这项技术成为未来更小、更便宜且更易嵌入到各类场景中的环境传感器和医疗监测设备的有力候选者。

引用: Wang, F., Ouyang, X., Hong, L. et al. A Monolithic CMOS-MEMS SoC with 1.8 mm/s and 2 mK Resolution for Flow and Temperature Sensing via a Microcantilever Array. Microsyst Nanoeng 12, 103 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01220-5

关键词: 微悬臂传感器, CMOS‑MEMS, 流量传感, 温度传感, 多参数传感