MEMS是Micro Electro Mechanical Systems（微機電系統）的縮寫(xiě)，具有微小的立體結構（三維結構），是處理各種輸入、輸出信號的系統的統稱(chēng)。

是利用微細加工技術(shù)，將機械零零件、電子電路、傳感器、執行機構集成在一塊電路板上的高附加值元件。

微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。

微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個(gè)獨立的智能系統。

圖1 MEMS傳感器及局部顯微放大

資料來(lái)源：Vesper

圖2 MEMS傳感器工作原理

資料來(lái)源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

圖3 MEMS傳感器分類(lèi)

資料來(lái)源：賽迪顧問(wèn)

MEMS傳感器是采用微電子和微機械技工技術(shù)工藝制造出來(lái)的微型傳感器，種類(lèi)繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品，通過(guò)微傳感元件和傳輸單元把輸入的信號轉換并導出另一種可監測信號。與傳統工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現智能化的特點(diǎn)。

根據應用和地理位置的不同，MEMS可能用其他術(shù)語(yǔ)來(lái)指代，包括微機（日本），微系統（歐洲），微流體，芯片實(shí)驗室，生物MEMS,RF MEMS和光學(xué)MEMS（或MOEMS）。

盡管以類(lèi)似于半導體或集成電路的方式制造，但MEMS的不同之處在于它們具有某種機械功能，允許設備與其周?chē)h(huán)境相互作用。一些MEMS集成了運動(dòng)部件（例如懸臂，彈簧或壓敏膜片），而其他則沒(méi)有（RF濾波器，BAW濾波器，光子學(xué)和光具座）。

微觀(guān)結構最早是在1960年代提出的。1970年代帶來(lái)了幾項關(guān)鍵的進(jìn)展，包括第一個(gè)微處理器，批量蝕刻的硅片和第一個(gè)微加工的噴墨噴嘴。1982年，庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）吹捧硅的機械性能，稱(chēng)其為一種高精度，高強度，高可靠性的機械材料，特別適用于必須將小型機械設備和部件與電子設備集成或接口的情況。 在1990年代，各種類(lèi)型的MEMS迅速擴展（包括第一個(gè)加速度計），并且不斷增長(cháng)的MEMS設計和制造基礎設施將批量生產(chǎn)的設備推向了商業(yè)可行性。光學(xué)和生物MEMS出現于2000年代，如今，許多類(lèi)別的MEMS出現了廣泛的擴散。

MEMS的原理

把機械臂與電磁感應圈做成一個(gè)吸引電級系統，通電后，電磁像磁鐵一樣把懸臂吸引過(guò)來(lái)，和傳輸線(xiàn)連上，這是開(kāi)；斷電后，磁性消失，懸臂與傳輸線(xiàn)斷開(kāi)，這是關(guān)。

典型的MEMS傳感器采用機械結構，該機械結構可響應機械或電氣刺激（壓力，運動(dòng)，加速度，磁場(chǎng)等）而以受控方式運動(dòng)。其中典型的技術(shù)是使用移動(dòng)來(lái)改變可變電容的極板之間的距離。

陀螺儀需要多個(gè)MEMS結構來(lái)測量角運動(dòng)

輸出可以采用多種形式：模擬電壓；輸出電壓；標準串行總線(xiàn)，例如SPI或I2C；或在汽車(chē)安全氣囊應用中流行的專(zhuān)用協(xié)議（例如DSI或PSI5）；無(wú)線(xiàn)連接選項包括低功耗藍牙（BLE）。

微機電系統是在微電子技術(shù)（半導體制造技術(shù)）基礎上發(fā)展起來(lái)的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。

微機電系統是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統。MEMS是一項革命性的新技術(shù)，廣泛應用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項關(guān)系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟繁榮和國防安全的關(guān)鍵技術(shù)。

MEMS側重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機械學(xué)的各分支。

常見(jiàn)的產(chǎn)品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風(fēng)、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

MEMS陀螺儀通過(guò)利用科里奧利加速度來(lái)測量角旋轉，該加速度在質(zhì)量朝向和遠離旋轉中心移動(dòng)時(shí)在MEMS框架上產(chǎn)生力。陀螺儀有單軸，雙軸和三軸版本，適用于不同的應用：例如，雙軸陀螺儀用于游戲和光學(xué)圖像穩定，而三軸陀螺儀可滿(mǎn)足汽車(chē)遠程信息處理和導航的需求。

加速度計還使用框架中的質(zhì)量來(lái)測量靜態(tài)加速度（即重力）和動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)，運動(dòng)，傾斜，沖擊等）。歸入加速度計的設備包括傾角儀，震動(dòng)傳感器，腦震蕩傳感器，傾斜傳感器和運動(dòng)傳感器。加速度計還具有不同的軸組合：在汽車(chē)碰撞傳感器中發(fā)現單軸設備，在機器人技術(shù)，振動(dòng)監控和防篡改應用中出現三維單元。

壓力傳感器通過(guò)其在MEMS結構中引起的偏轉來(lái)測量壓力。有一些版本可以測量相對于大氣壓的壓力，也可以測量相對于真空密封室的絕對壓力。MEMS壓力傳感器還可以間接測量其他量，例如流體流量，高度和水位。

磁力計使用各種物理現象，例如霍爾效應，測量磁場(chǎng)引起的機械效應。

慣性測量單元（IMU）測量線(xiàn)性和通過(guò)組合三軸加速度計和陀螺儀成單個(gè)單元角加速度; IMU還可以包括磁力計和壓力傳感器，以提供有關(guān)設備三維方向和運動(dòng)的信息：x,y和z軸上的加速度；俯仰，滾動(dòng)，偏航，高度等。應用包括無(wú)人駕駛自動(dòng)駕駛汽車(chē)（UAV），機器人技術(shù)和工廠(chǎng)自動(dòng)化，航空電子設備，智能手機和平板電腦，虛擬現實(shí)和游戲。

MEMS麥克風(fēng)通過(guò)測量聲波撞擊由可移動(dòng)膜片和固定背板組成的可變電容元件時(shí)的電容變化來(lái)工作。它們被廣泛用于空間受限的消費類(lèi)應用，例如智能手機和平板電腦。

MEMS生物傳感器中，生物分子相互作用導致MEMS結構中可測量的運動(dòng)。例如，在結核?。═B）檢測中，涂有TB抗體的MEMS懸臂在將受感染的血液樣本置于其上時(shí)會(huì )發(fā)生偏轉。

MEMS氣體傳感器通過(guò)測量在涂覆的傳感器的表面誘導的電阻變化來(lái)檢測氣體的存在。該傳感器可以檢測到低濃度的目標氣體，典型響應時(shí)間少于一秒。濕度傳感器被優(yōu)化以檢測水蒸汽。

RF MEMS開(kāi)關(guān)將靜電驅動(dòng)的懸臂梁與單獨的驅動(dòng)器IC結合使用，以代替RF開(kāi)關(guān)應用中不可靠的笨重機電繼電器?？梢允褂枚喾N開(kāi)關(guān)配置：例如，ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置，可以處理從DC到14GHz的信號。

MEMS光致動(dòng)器，例如德州儀器（TI）的數字微鏡設備（DMD），使用MEMS技術(shù)形成了大量獨立控制的鏡面。每個(gè)反光鏡均可在電子控制下傾斜，以在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。啟用時(shí)，像素將來(lái)自投影儀燈泡的光反射到透鏡中，使其顯得明亮。在關(guān)閉狀態(tài)下，光線(xiàn)會(huì )指向其他地方，從而使像素看起來(lái)很暗。

MEMS振蕩器包含一個(gè)諧振器，該諧振器在來(lái)自模擬驅動(dòng)器芯片的靜電激勵下振動(dòng)。MEMS振蕩器可以產(chǎn)生1Hz至數百MHz的頻率，具有出色的穩定性，低功耗和高抗電磁干擾（EMI）能力。

MEMS器件特點(diǎn)

①和半導體電路相同，使用刻蝕、光刻等；

制造工藝，不需要組裝、調整；

②進(jìn)一步可以將機械可動(dòng)部、電子線(xiàn)路、傳感器等集成到一片硅板上；

③它很少占用地方，可以在一般的機器人到不了的狹窄場(chǎng)所或條件惡劣的地方使用；

④由于工作部件的質(zhì)量小，高速動(dòng)作可能；

⑤由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響??；

⑥它產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。

優(yōu)勢

經(jīng)濟利益：

1.大批量的并行制造過(guò)程；

2.系統級集成；

3.封裝集成；

4.與IC工藝兼容。

技術(shù)利益：

1.高精度；

2.重量輕，尺寸??；

3.高效能。

主要分類(lèi)

傳感

傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機械加工出來(lái)的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學(xué)等各種傳感器，按種類(lèi)分主要有:面陣觸覺(jué)傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類(lèi)探索自然界的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)將備受世界各國的重視。

生物

生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò )、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現樣品的進(jìn)樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過(guò)程。它把傳統的分析實(shí)驗室功能微縮在一個(gè)芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點(diǎn)。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實(shí)時(shí)通信、連續檢測的特點(diǎn)。國際上生物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統帶來(lái)一場(chǎng)重大的革新。

光學(xué)

MEMS光學(xué)掃描儀

隨著(zhù)信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術(shù)等基礎技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型光器件，稱(chēng)為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學(xué)器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅動(dòng)和控制等特點(diǎn)。較成功的應用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面:

一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過(guò)反射面的物理運動(dòng)來(lái)進(jìn)行光的空間調制，典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統，主要研究通過(guò)微鏡的物理運動(dòng)來(lái)控制光路發(fā)生預期的改變，較成功的有光開(kāi)關(guān)調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強的高新技術(shù)，開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開(kāi)發(fā)。

射頻

射頻MEMS技術(shù)傳統上分為固定的和可動(dòng)的兩類(lèi)。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線(xiàn)、濾波器和耦合器，可動(dòng)的MEMS器件包括開(kāi)關(guān)、調諧器和可變電容。按技術(shù)層面又分為由微機械開(kāi)關(guān)、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線(xiàn)組成的應用系統層面。

隨著(zhù)時(shí)間的推移和技術(shù)的逐步發(fā)展，MEMS所包含的內容正在不斷增加，并變得更加豐富。世界著(zhù)名信息技術(shù)期刊《IEEE論文集》在1998年的MEMS專(zhuān)輯中將MEMS的內容歸納為：集成傳感器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分。微電子技術(shù)的主要內容有:氧化層生長(cháng)、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長(cháng)、連線(xiàn)制作等。微加工技術(shù)的主要內容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結構的LIGA技術(shù)等。利用微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術(shù)很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器、微機械等，這就能充分發(fā)揮微電子技術(shù)的優(yōu)勢，利用MEMS技術(shù)大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛星。

車(chē)載激光雷達掃描微鏡

要了解MEMS掃描微鏡（也叫MEMS振鏡或掃描芯片）在車(chē)載激光雷達中的應用，還要從應用比較廣泛的激光掃描投影MEMS微鏡說(shuō)起。MEMS微鏡是一個(gè)硅結構的微型機械裝置，采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造，是將微光反射鏡與MEMS驅動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。

MEMS微鏡芯片

MEMS微鏡采用平動(dòng)和扭轉（x、y兩個(gè)方向）兩種機械運動(dòng)方式進(jìn)行掃描，可以實(shí)現非常高的掃描頻率?，F在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達到40kHz，相當于一秒鐘掃描4萬(wàn)次。

MEMS掃描微鏡在激光掃描投影中的應用

采用MEMS微鏡的激光應用涵蓋消費電子、醫療、軍事國防、通信等領(lǐng)域，具體包括激光掃描、光通信、數字顯示、激光雷達、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、光開(kāi)關(guān)、激光微投影、汽車(chē)抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤(pán)、增強現實(shí)（AR）等。

MEMS微鏡的不同應用

驅動(dòng)MEMS微鏡掃描動(dòng)作有不同的方式，可以分為利用電荷間庫侖力作為驅動(dòng)力的靜電驅動(dòng)；以低電壓電流驅動(dòng)的電磁驅動(dòng)；利用材料對溫度敏感產(chǎn)生不同形變量引起鏡面扭轉的電熱驅動(dòng)；以及利用材料逆壓電效應，通過(guò)外界電場(chǎng)產(chǎn)生微位移的壓電驅動(dòng)等幾類(lèi)。

由于車(chē)載應用需要較大的MEMS鏡面，鏡面厚度也需要相應增加，導致微鏡掃描時(shí)的質(zhì)量增加，降低了MEMS振鏡抗振動(dòng)和沖擊的能力，甚至出現轉軸斷裂的情況。如果采用新型電磁驅動(dòng)就可以使微鏡更大、更結實(shí)。

MEMS微鏡轉軸斷裂現象

通過(guò)不斷改進(jìn)，采用專(zhuān)利封裝技術(shù)的下磁鐵-掃描微鏡-上磁鐵的垂直三明治封裝結構，相比側邊磁鐵結構，作用在驅動(dòng)線(xiàn)圈上的磁感應強度提高了8倍。在達到相同轉角情況下，微鏡有更大的驅動(dòng)力矩T，能夠驅動(dòng)的掃描軸更厚更寬，器件掃描頻率可以更高，器件抗振動(dòng)沖擊能力也更好。這樣，就為汽車(chē)應用提供了穩固的基礎。

垂直三明治驅動(dòng)結構

與機械式相比，MEMS的優(yōu)勢很多，如安裝簡(jiǎn)單、體積更小、價(jià)格便宜，最有希望在乘用車(chē)上普及。機械式雷達是在一個(gè)臺子上面放激光探測器，64線(xiàn)需要64組激光器和探測器一一對應，然后供電讓它轉起來(lái)，電源、信號要通過(guò)轉臺連到下面的電路，所以它是一個(gè)非常復雜的光學(xué)和電學(xué)系統，不利于大規模的量產(chǎn)。

激光雷達脈沖發(fā)射方式比較

MEMS激光雷達只需要一個(gè)激光器和MEMS微鏡組合就能實(shí)現激光脈沖的掃描，裝配起來(lái)很簡(jiǎn)單。從成本考慮，由于采用半導體工藝，量大了成本也會(huì )很便宜。另外，從分辨率考慮，比如MEMS激光雷達實(shí)現64線(xiàn)，只需要MEMS微鏡把單個(gè)激光器發(fā)出的脈沖掃描成的點(diǎn)陣能組成64條線(xiàn)就可以了，所以非常容易實(shí)現高分辨率，體積也非常小。未來(lái)MEMS激光雷達的成本有望控制在千元人民幣以?xún)取?/span>

MEMS激光雷達原理

MEMS微型泵

微型泵的最早且最廣為人知的用途是噴墨技術(shù)。一個(gè)空的空腔位于打印頭中每個(gè)噴嘴的后面。墨水流入空腔，當被微小的加熱元件加熱時(shí)，墨水會(huì )從噴嘴噴到等待的紙張上。自動(dòng)化的藥物輸送系統通常也使用微型泵。

MEMS應用

MEMS技術(shù)是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，主要屬于微米技術(shù)范疇。MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了10多年時(shí)間，大都基于現有技術(shù)，用由大到小的技術(shù)途徑制作出來(lái)的，發(fā)展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能會(huì )像微電子一樣，對科學(xué)技術(shù)和人類(lèi)生活產(chǎn)生革命性的影響，尤其對微小衛星的發(fā)展影響更加深遠，必將為大批量生產(chǎn)低成本高可靠性的微小衛星打開(kāi)大門(mén)。

MEMS的特點(diǎn)

MEMS系統器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量級，微小的尺寸不僅使得MEMS能夠工作在一些常規機電系統無(wú)法介入的微小空間場(chǎng)合，而且意味著(zhù)系統具有微小的質(zhì)量和消耗，微小的尺寸通常還為MEMS器件帶來(lái)更高的靈敏度和更好的動(dòng)態(tài)特性。80[%]以上的MEMS采用硅微工藝進(jìn)行制作，使其具有大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低。在單一芯片內實(shí)現機電集成也是MEMS獨有的特點(diǎn)。單片集成系統能夠避免雜合系統中有各種連接所帶來(lái)的電路寄生效應，因此可達到更高的性能并更加可靠，單片集成有利于節約成本。組件裝配特別困難，目前許多MEMS都是設計成不需要裝配或者具有自裝配功能的系統。MEMS構件的加工絕對誤差小，使用的材料也較為單一，三維加工能力明顯不足。

MEMS的應用前景

MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開(kāi)辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，基于MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車(chē)、生物醫學(xué)、環(huán)境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著(zhù)十分廣闊的應用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近20年來(lái)微電子產(chǎn)業(yè)和計算機產(chǎn)業(yè)給人類(lèi)帶來(lái)的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對人類(lèi)社會(huì )產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場(chǎng)的主導產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤(pán)驅動(dòng)頭等。大多數工業(yè)觀(guān)察家預測，未來(lái)5年MEMS器件的銷(xiāo)售額將呈迅速增長(cháng)之勢，年平均增加率約為18[%]，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。

MEMS傳感器發(fā)展歷程

MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時(shí)用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變 形，會(huì )影響其表面的壓敏電阻走線(xiàn)，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來(lái)的電路則包括電容感應移動(dòng)質(zhì)量加速計，用于觸發(fā)汽車(chē)安全氣囊和定位陀螺儀。

第二輪商業(yè)化出現于20世紀90年代，主要圍繞著(zhù)PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據靜電驅動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現在仍然大行其道。

第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現于世紀之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開(kāi)關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場(chǎng)現在蕭條，但微光學(xué)器件從長(cháng)期看來(lái)將是MEMS一個(gè)增長(cháng)強勁的領(lǐng)域。

推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應用包括一些面向射頻無(wú)源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的‘片上實(shí)驗室’生化藥品開(kāi)發(fā)系統和微型藥品輸送系統的靜態(tài)和移動(dòng)器件。

近來(lái)對MEMS關(guān)注的提高部分來(lái)自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層（結構制作時(shí)使其它層分開(kāi)的材料）在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動(dòng)諧振結構。

很多MEMS應用要求與傳統的電子制造不同，如包含更多步驟、背面工藝、特殊金屬和非常奇特的材料以及晶圓鍵合等等。確實(shí)，許多場(chǎng)合尤其是在生物和醫療領(lǐng)域，都不把硅片作為基底使用，很多地方選用玻璃和塑料，出于降低成本原因經(jīng)常用塑料制成一次性醫療器械。

但對眾多公司和研究機構來(lái)說(shuō)，微電子中現有的CMOS、SiGe和GaAs等工藝是開(kāi)發(fā)MEMS的出發(fā)點(diǎn)。從理論上講，將電路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整個(gè)電路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封裝成本。

提高集成度的一個(gè)主要途徑是通過(guò)表面微加工方法，在微電子裸片頂部的保留區域進(jìn)行MEMS結構后處理。但是必須考慮溫度對前面已制造完成的微電子部分的破壞，所以對單片集成來(lái)講，在低溫下進(jìn)行MEMS制造是一個(gè)關(guān)鍵。

多年來(lái)人們一直在討論CMOS和MEMS集成的問(wèn)題，但目前唯一批量生產(chǎn)的集成工藝只有美國模擬器件公司（ADI）的ADXL-50加 速器。同樣的功能摩托羅拉要用兩個(gè)芯片完成，其中一個(gè)是MEMS，另一個(gè)是封裝好的集成微電子器件。

這些爭論經(jīng)常在微電子業(yè)中提起。值得注意的是模擬和混合信號在微電子中常常放于不同的裸片上作為電路集成到一個(gè)封裝里，同樣，智能功率電子經(jīng)常 采用多芯片解決方案實(shí)現，盡管其他人極力吹捧智能功率工藝技術(shù)的好處。此外贊成與反對將機械結構和大量電子裝置集成在一起的理由也都非常復雜。

這主要是因為微電子的標準封裝開(kāi)發(fā)很快，引腳數和連接方法的變化在本質(zhì)上也是標準的。而MEMS則不同，其環(huán)境參數各種各樣，某些封裝不能透光而另一些必須讓光照到芯片表面，某些封裝必須在芯片上方或后面保持真空，而另一些則要在芯片周?chē)腿霘怏w或液體。

人們認識到不可能給各種MEMS應用開(kāi)發(fā)一種標準封裝，但也非常需要業(yè)界對每種應用確定一種標準封裝及其發(fā)展方向。如果能使用標準工藝，即使是改進(jìn)的最基本IC工藝也有很多優(yōu)點(diǎn)，因此硅片MEMS、MOEMS（微光機電系統）和常規IC制造之間的區別只是程度不同。

對于能負擔深亞微米CMOS工藝技術(shù)研究的大型芯片制造商來(lái)說(shuō)，MEMS的吸引力在于能使舊的工藝技術(shù)和經(jīng)多年制造已攤銷(xiāo)完了的晶圓廠(chǎng)產(chǎn)生更多利潤。換言之，微電子領(lǐng)域快淘汰的工藝在硅片MEMS制造中可以成為領(lǐng)先技術(shù)。

通過(guò)幾個(gè)‘錨點(diǎn)’（anchor point）將硅片結構焊接在基底上，但可以在與基底本身平行的平面上自由移動(dòng)。為了與傳統塑封技術(shù)兼容，在傳感元件上部放置一個(gè)封帽以避免成型時(shí)對移動(dòng)部件造成污染。

微驅動(dòng)部件也使用類(lèi)似的工藝，但沒(méi)有封帽，而是增加一個(gè)靈活的鈍化層。Onix在微鏡部件上則使用第三種工藝，這是因為T(mén)helma的多晶硅沒(méi)有制造鏡面拋光的單晶硅好。

MEMS當作一門(mén)截然不同的工程學(xué)科來(lái)對待。但是不要指望MEMS會(huì )像微電子在20世紀60和70年代那樣突然興旺起來(lái)，MEMS領(lǐng)域仍然變化多端且困難重重。MEMS是微電子加微機械， 在所有工業(yè)領(lǐng)域具有上百種應用。從這點(diǎn)來(lái)看可以期望MEMS市場(chǎng)的長(cháng)期發(fā)展會(huì )比‘純粹的’微電子要好，隨著(zhù)代工服務(wù)的發(fā)展，工程師將越來(lái)越多地使他們的設 計適應工藝技術(shù)。也許MEMS現在能起飛最重要的原因是微機械分析的復雜性隨著(zhù)千兆赫茲處理器的出現在工程師桌面就能解決，留下的一個(gè)問(wèn)題將是MEMS技術(shù)有無(wú)足夠的時(shí)間 在其享受勝利果實(shí)之前把‘納米技術(shù)’遠遠拋在后面。

MEMS發(fā)展歷程核心事件

1948年，貝爾實(shí)驗室發(fā)明鍺晶體管(William Shockley)1954年，鍺和硅的壓阻效應(C.S.Smith)1958年，第一塊集成電路(IC)(J.S.Kilby 1958年/Robert Noyce 1959年)1959年，"底部有很多空間"(R.Feynman)1959年，展示了第一個(gè)硅壓力傳感器(Kulite)1967年，各向異性深硅蝕刻(H.A.Waggener等)1968年，諧振門(mén)晶體管獲得專(zhuān)利(表面微加工工藝)(H.Nathanson等)1970年，批量蝕刻硅片用作壓力傳感器(批量微加工工藝)1971年，發(fā)明微處理器1979年，惠普微加工噴墨噴嘴1982年，"作為結構材料的硅"(K.Petersen)1982年，LIGA進(jìn)程(德國KfK)1982年，一次性血壓傳感器(霍尼韋爾)1983年，一體化壓力傳感器(霍尼韋爾)1983年，"Infinitesimal Machinery"，R.Feynman。1985年，傳感器或碰撞傳感器(安全氣囊)1985年，發(fā)現"Buckyball"1986年，發(fā)明原子力顯微鏡1986年，硅片鍵合(M.Shimbo)1988年，通過(guò)晶圓鍵合批量制造壓力傳感器(Nova傳感器)1988年，旋轉式靜電側驅動(dòng)電機(Fan、Tai、Muller)1991，年多晶硅鉸鏈(Pister、Judy、Burgett、Fearing)。1991年，發(fā)現碳納米管1992年，光柵光調制器(Solgaard、Sandejas、Bloom)1992年，批量微機械加工(SCREAM工藝，康奈爾)1993年，數字鏡像顯示器(德州儀器)1993年，MCNC創(chuàng )建MUMPS代工服務(wù)1993年，首個(gè)大批量生產(chǎn)的表面微加工加速度計(Analog Devices)1994年，博世深層反應離子蝕刻工藝獲得專(zhuān)利1996年，Richard Smalley開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)直徑均勻的碳納米管的技術(shù)1999年，光網(wǎng)絡(luò )交換機(朗訊)2000年代，光學(xué)MEMS熱潮2000年代，BioMEMS激增2000年代，MEMS設備和應用的數量不斷增加。2000年代，NEMS應用和技術(shù)發(fā)展

MEMS的相關(guān)技術(shù)

1、微系統設計技術(shù)主要是微結構設計數據庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和模擬技術(shù)、微系統建模等，還有微小型化的尺寸效應和微小型理論基礎研究等課題，如：力的尺寸效應、微結構表面效應、微觀(guān)摩擦機理、熱傳導、誤差效應和微構件材料性能等。

2微細加工技術(shù)主要指高深度比多層微結構的硅表面加工和體加工技術(shù)，利用X射線(xiàn)光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線(xiàn)的準LIGA加工技術(shù)；微結構特種精密加工技術(shù)包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結構的加工技術(shù)；多種加工方法的結合；微系統的集成技術(shù)；微細加工新工藝探索等。

3微型機械組裝和封裝技術(shù)主要指粘接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅硅鍵合技術(shù)和自對準組裝技術(shù)，具有三維可動(dòng)部件的封裝技術(shù)、真空封裝技術(shù)等新封裝技術(shù)。

4微系統的表征和測試技術(shù)主要有結構材料特性測試技術(shù)，微小力學(xué)、電學(xué)等物理量的測量技術(shù)，微型器件和微型系統性能的表征和測試技術(shù)，微型系統動(dòng)態(tài)特性測試技術(shù)，微型器件和微型系統可靠性的測量與評價(jià)技術(shù)。

目前，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種。

第一種是以日本為代表的利用傳統機械加工手段，即利用大機器制造小機器，再利用小機器制造微機器的方法。

第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。

第三種是以德國為代表的LIGA(即光刻、電鑄和塑鑄)技術(shù)，它是利用X射線(xiàn)光刻技術(shù)，通過(guò)電鑄成型和塑鑄形成深層微結構的方法。

上述第二種方法與傳統IC工藝兼容，可以實(shí)現微機械和微電子的系統集成，而且適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。LIGA技術(shù)可用來(lái)加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，并可用來(lái)制做深寬比大的精細結構(加工深度可以達到幾百微米)，因此也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù)。LIGA技術(shù)自八十年代中期由德國開(kāi)發(fā)出來(lái)以后得到了迅速發(fā)展，人們已利用該技術(shù)開(kāi)發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達、微加速度計、微射流計等。第一種加工方法可以用于加工一些在特殊場(chǎng)合應用的微機械裝置，如微型機器人、微型手術(shù)臺等。下面主要介紹LIGA和硅MEMS技術(shù)。

LIGA技術(shù)：LIGA技術(shù)是將深度X射線(xiàn)光刻、微電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)相結合的一種綜合性加工技術(shù)，它是進(jìn)行非硅材料三維立體微細加工的首選工藝。LIGA技術(shù)制作各種微圖形的過(guò)程主要由兩步關(guān)鍵工藝組成，即首先利用同步輻射X射線(xiàn)光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形，然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具，再利用微塑鑄制備微結構。

LIGA技術(shù)為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬、塑料和陶瓷零件組成的三維微機電系統，而用它制造的器件結構具有深寬比大、結構精細、側壁陡峭、表面光滑等特點(diǎn)，這些都是其它微加工工藝很難達到的。

硅基MEMS技術(shù)：以硅為基礎的微機械加工工藝也分為多種，傳統上往往將其歸納為兩大類(lèi)，即體硅加工工藝和表面硅加工工藝。前者一般是對體硅進(jìn)行三維加工，以襯底單晶硅片作為機械結構；后者則利用與普通集成電路工藝相似的平面加工手段，以硅(單晶或多晶)薄膜作為機械結構。

在以硅為基礎的MEMS加工技術(shù)中，最關(guān)鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等。各向異性腐蝕技術(shù)是體硅微機械加工的關(guān)鍵技術(shù)。濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機械結構制造的加工方法。常用的進(jìn)行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等，EPW和KOH對濃硼摻雜硅的腐蝕速率很慢，因此可以利用各向異性腐蝕和濃度選擇腐蝕的特點(diǎn)將硅片加工成所需要的微機械結構。利用化學(xué)腐蝕得到的微機械結構的厚度可以達到整個(gè)硅片的厚度，具有較高的機械靈敏度，但該方法與集成電路工藝不兼容，難以與集成電路進(jìn)行集成，且存在難以準確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點(diǎn)。為了克服濕法化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，采用干法等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)成為微機械加工技術(shù)的主流。

隨著(zhù)集成電路工藝的發(fā)展，干法刻蝕深寬比大的硅槽已不再是難題。例如采用感應耦合等離子體、高密度等離子體刻蝕設備等都可以得到比較理想的深寬比大的硅槽。鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過(guò)化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結合起來(lái)的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機械結構加工的直接手段，卻在微機械加工中有著(zhù)重要的地位。它往往與其他手段結合使用，既可以對微結構進(jìn)行支撐和保護，又可以實(shí)現機械結構之間或機械結構與集成電路之間的電學(xué)連接。

在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù)，如硅化物鍵合、有機物鍵合等。表面犧牲層技術(shù)是表面微機械技術(shù)的主要工藝，其基本思路為：首先在襯底上淀積犧牲層材料，并利用光刻、刻蝕形成一定的圖形，然后淀積作為機械結構的材料并光刻出所需要的圖形，最后再將支撐結構層的犧牲層材料腐蝕掉，這樣就形成了懸浮的可動(dòng)的微機械結構部件。常用的結構材料有多晶硅、單晶硅、氮化硅、氧化硅和金屬等，常用的犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻膠等。

MEMS的發(fā)展趨勢

1研究方向多樣化和縱深化MEMS技術(shù)的研究日益多樣化，MEMS技術(shù)涉及軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域。從研究深度上來(lái)說(shuō)，MEMS的發(fā)展規律是產(chǎn)生比傳統機電系統更高級的產(chǎn)品。例如微光機電系統（MOEMS）就是微機電系統與光學(xué)技術(shù)相結合，有希望解決全光交換機的光通信瓶頸。目前開(kāi)展的MOEMS項目主要有：可調諧光器件——利用MOEMS技術(shù)可制造出可動(dòng)腔鏡，獲得很大的調諧范圍，與半導體激光器集成成為可調諧激光源；光可變衰減器和光調制器——MOEMS通過(guò)微檔板插入光纖間隙的深度控制兩光纖的耦合程度，實(shí)現可變光衰減；光開(kāi)關(guān)和光開(kāi)關(guān)陣列——MOEMS將機構結構、微觸動(dòng)器、微光學(xué)元件集成在同一襯底上，具有操縱方便、插入損耗小、串音干擾低等特點(diǎn)。MOEMS的目標是制成全光功能模塊和系統，如全光終端機、全光交換機等。

2加工工藝多樣化加工工藝有傳統的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結合等，具體的加工手段更是多種多樣。

3系統的進(jìn)一步集成化和多功能化集成化、智能化和多功能化的微系統將有最好的性能，在軍事、醫學(xué)和生物研究、核電等領(lǐng)域有著(zhù)誘人的應用前景。4.4MEMS器件芯片制造與封裝統一考慮MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于：MEMS器件芯片一般都有活動(dòng)部件，比較脆弱，在封裝前不利于運輸。所以，MEMS器件芯片制造與封裝應統一考慮。

5普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途MEMS器件并存以加速計為例，既有大量的只要求精度為0.5g以上的，可廣泛運用于汽車(chē)安全氣囊等具有很高經(jīng)濟價(jià)值的加速度計，也有要求精度為10-8的，可應用于航空、航天等高科技領(lǐng)域的加速度計。

MEMS工藝

MEMS工藝以成膜工序、光刻工序、蝕刻工序等常規半導體工藝流程為基礎。

下面介紹MEMS工藝的部分關(guān)鍵技術(shù)。

晶圓

SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫(xiě)，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應用于功率元件和MEMS等，在MEMS中可以使用氧化膜層作為硅蝕刻的阻擋層，因此能夠形成復雜的三維立體結構。

TAIKO磨削 　TAIKO是DISCO株式會(huì )社的商標

TAIKO磨削是DISCO公司開(kāi)發(fā)的技術(shù)，在磨削晶圓時(shí)保留最外圍的邊緣，只對其內側進(jìn)行磨削。

TAIKO磨削與通常的磨削相比，具有晶圓曲翹減少、晶圓強度更高、處理容易、與其他工藝的整合性更高等優(yōu)點(diǎn)。

晶圓粘合/熱剝離片工藝

通過(guò)使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對薄化晶圓進(jìn)行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合大致分為直接鍵合、通過(guò)中間層鍵合2類(lèi)。

直接鍵合不使用粘合劑等，是利用熱處理產(chǎn)生的分子間力使晶圓相互粘合的鍵合，用于制作SOI晶圓等。通過(guò)中間層鍵合是借助粘合劑等使晶圓互相粘合的鍵合方法。

蝕刻

各向同性蝕刻與各向異性蝕刻

通過(guò)在低真空中放電使等離子體產(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進(jìn)行蝕刻的技術(shù)稱(chēng)為反應離子蝕刻。

等離子體中混合存在著(zhù)攜帶電荷的離子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蝕刻、利用離子的各向異性蝕刻兩種蝕刻作用。

硅深度蝕刻

集各向異性蝕刻和各向同性蝕刻的優(yōu)點(diǎn)于一身的博世工藝技術(shù)已經(jīng)成為了硅深度蝕刻的主流技術(shù)。

通過(guò)重復進(jìn)行Si蝕刻?聚合物沉積?底面聚合物去除，可以進(jìn)行縱向的深度蝕刻。側壁的凹凸因形似扇貝，稱(chēng)為扇貝形貌。

成膜

ALD（原子層沉積）ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫(xiě)，是通過(guò)重復進(jìn)行材料供應（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應，分步逐層沉積原子的成膜方式。通過(guò)采用這種方式，只要有成膜材料可以通過(guò)的縫隙，就能以納米等級的膜厚控制，在小孔側壁和深孔底部等部位成膜，在深度蝕刻時(shí)的聚合物沉積等MEMS加工中形成均勻的成膜。

主流CVD MEMS加工技術(shù)

CVD 加工工藝是制作微傳感器、微執行器 和MEMS加工的主流技術(shù) ,是近年來(lái)隨著(zhù)集成電路工藝 發(fā)展起來(lái)的 ,它是離子束、電子束、分子束、激光束和 化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù) ,目前越來(lái)越多 地用于 MEMS 的加工中 ,例如濺射、蒸鍍、等離子體 刻蝕、化學(xué)氣體淀積、外延、擴散、腐蝕、光刻等。在以硅為基礎的 MEMS 加工工藝中 ,主要的加工工藝 有腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴散、濺射等。

MEMS生產(chǎn)中的薄膜指通過(guò)蒸鍍、濺射、沉積等工藝將所需物質(zhì)鋪蓋在基片的表層，根據其過(guò)程的氣相變化特性，可分為PVD與CVD兩大類(lèi)。

電子束蒸鍍利用電磁場(chǎng)的配合可以精準地實(shí)現利用高能電子轟擊坩堝內膜材，使膜材表面原子蒸發(fā)進(jìn)而沉積在基片上；以FATRI UTC電子束蒸鍍機在MEMS制造過(guò)程的功用來(lái)說(shuō)，其主要用來(lái)蒸鍍Pt、Ni、Au等。

而磁控濺射是在高真空(10-5Torr)的環(huán)境下，導入惰性氣體（通常是Ar）并在電極兩端加上高電壓、產(chǎn)生輝光放電(Glow discharge)。Ar原子被電離成Ar+和電子。在電場(chǎng)作用下Ar+加速飛向靶材(target)，與靶材發(fā)生碰撞，濺射出大量的靶材原子，靶材原子沉積在基片上。在FATRI UTC 的MEMS 生產(chǎn)過(guò)程中，其可濺射Al、C0、Fe、的合金等。

CVD工藝又可細分APCVD，LPCVD及PECVD；在MEMS制造中我們通常使用PECVD機臺(見(jiàn)下圖)來(lái)制造SiO2、Si3N4 或 SiC。其工藝是在較低的溫度下借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強，很容易發(fā)生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。

MEMS市場(chǎng)常見(jiàn)產(chǎn)品與應用

常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。

MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。MEMS往往會(huì )采用常見(jiàn)的機械零件和工具所對應微觀(guān)模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機械式。相反，它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。

批量制造能顯著(zhù)降低大規模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個(gè)8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片（圖1），分攤到每個(gè)芯片的成本則可大幅度降低。

因此MEMS商業(yè)化的工程除了提高產(chǎn)品本身性能、可靠性外，還有很多工作集中于擴大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數，以及盡可能地縮傳感器大小。

圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖

圖2. 從硅原料到硅片過(guò)程。硅片上的重復單元可稱(chēng)為芯片（chip 或die）。

MEMS需要專(zhuān)門(mén)的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅動(dòng)，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內可以簡(jiǎn)化工藝，如圖3。不過(guò)具有集成可能性是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

正如之前提到的，MEMS和ASIC (專(zhuān)用集成電路)采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而，集成二者難度還是非常大，主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。

例如，部分MEMS器件需要高溫工藝，而高溫工藝將會(huì )破壞IC的電學(xué)特性，甚至熔化集成電路中低熔點(diǎn)材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術(shù)，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。

雖然難度很大，但正在逐步實(shí)現。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng )造成功商用并具備成本效益的MEMS 產(chǎn)品。一個(gè)成功的例子是ADXL203，圖4。

ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出，所有功能（MEMS & IC）均集成于一個(gè)單芯片中。這些器件的滿(mǎn)量程加速度測量范圍為±1.7 g，既可以測量動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)），也可以測量靜態(tài)加速度（例如重力）。

圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個(gè)封裝內

圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

1、通信/移動(dòng)設備

圖7. 智能手機簡(jiǎn)化示意圖

在智能手機中，iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了八個(gè)MEMS傳感器。

iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤(pán)（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離傳感器，環(huán)境光傳感器(來(lái)自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風(fēng)。

iphone 6s與之類(lèi)似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預計將來(lái)高端智能手機將采用數十個(gè)MEMS器件以實(shí)現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。MEMS硬件也將成為L(cháng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和數字調諧電容器實(shí)現多頻帶技術(shù)。

以智能手機為主的移動(dòng)設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶(hù)體驗。這些傳感器并非手機等移動(dòng)/通信設備獨有，在本文以及后續文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關(guān)MEMS器件。

通信系統中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙，wifi等等不同技術(shù)使用不同的通信頻率）被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開(kāi)頻率的產(chǎn)生。

聲表面波器件，作為一種片外(off-chip)器件，與IC集成難度較大。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線(xiàn)雙工器的中流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基于MEMS體聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技術(shù)能夠節省四分之三的空間。

BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒(méi)有運動(dòng)部件，主要通過(guò)體積膨脹與收縮實(shí)現其功能。（另外一個(gè)非位移式MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件，例如基于相變材料的開(kāi)關(guān)，加入不同電壓可以使材料發(fā)生相變，分別為低阻和高阻狀態(tài)，詳見(jiàn)后續開(kāi)關(guān)專(zhuān)題）。

在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業(yè)部）賣(mài)的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時(shí)間天津大學(xué)在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于A(yíng)lN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過(guò)固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

圖8. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

圖9. SMR示意圖(非懸空結構，采用Bragg reflector布拉格反射層)

如果所示，其中的紅色線(xiàn)條表示震動(dòng)幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射，從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面，無(wú)法達到完美反射，因此部分能量向下泄露。

實(shí)物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導致的諧振，如果水平方向有諧振則會(huì )形成雜波。

上圖所示為消除雜波前后等效導納（即阻抗倒數，或者簡(jiǎn)單理解為電阻值倒數）。消除雜波后其特性曲線(xiàn)更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內的紋波更小。

圖示為若干FBAR連接起來(lái)形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對比，該濾波器比米粒還要小上許多。

2、可穿戴/植入式領(lǐng)域

圖10. 用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過(guò)一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達不到大型外置儀器的水平）直接向用戶(hù)提供信息?？纱┐?應該說(shuō)是最受用戶(hù)關(guān)注，最感興趣的話(huà)題了。

大部分用戶(hù)對汽車(chē)、打印機內的MEMS無(wú)感，這些器件與用戶(hù)中間經(jīng)過(guò)了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶(hù)接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶(hù)喜愛(ài)，例子可見(jiàn)Fitbit等健身手環(huán)。

該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業(yè)，我們在此主要討論更受關(guān)注的前兩者。消費領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監測和護理。

比如助聽(tīng)、指標檢測（如血壓、血糖水平），體態(tài)監測。MEMS幾乎可以實(shí)現人體所有感官功能，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)（如Honeywell電子鼻）、觸覺(jué)等，各類(lèi)健康指標可通過(guò)結合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監測。MEMS的采樣精度，速度，適用性都可以達到較高水平，同時(shí)由于其體積優(yōu)勢可直接植入人體，是醫療輔助設備中關(guān)鍵的組成部分。

傳統大型醫療器械優(yōu)勢明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標可以通過(guò)MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)勢，深入接觸測量目標，在達到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。

以近期所了解的一些MEMS項目為例，通過(guò)MEMS傳感器對體內某些指標進(jìn)行測量，同時(shí)MEMS執行器（actuator）可直接作用于器官或病變組織進(jìn)行更直接的治療，同時(shí)系統可以通過(guò)MEMS能量收集器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電，多組單元可以通過(guò)MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。

個(gè)人認為，MEMS醫療前景廣闊，不過(guò)離成熟運用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。

圖11. MEMS實(shí)現人體感官功能

可穿戴設備中最著(zhù)名，流行的便數蘋(píng)果手表了，其實(shí)蘋(píng)果手表和蘋(píng)果手表結構已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對此不在贅敘。

圖12. 蘋(píng)果手表示意圖

3、投影儀

投影儀所采用的MEMS微鏡如圖13,14所示。其中掃描電鏡圖則是來(lái)自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。

每個(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過(guò)改變外部激勵從而控制同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線(xiàn)向特定角度反射。

大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實(shí)現，一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹，當不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅動(dòng)方式，即通入電來(lái)產(chǎn)生靜電力來(lái)傾斜微鏡。

圖13 微鏡的SEM示意圖

圖14 微鏡結構示意圖

德州儀器的數字微鏡器件(DMD)，廣泛應用于商用或教學(xué)用投影機單元以及數字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進(jìn)行靜電致動(dòng)?；叶葓D像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。

顏色通過(guò)使用三芯片方案(每一基色對應一個(gè)芯片)，或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設計通過(guò)色環(huán)的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀(guān)眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。

TI有一個(gè)非常非常具體生動(dòng)的視頻介紹該產(chǎn)品，你可以在這個(gè)視頻中看到整個(gè)微鏡陣列如何對光進(jìn)行不同角度的折射。

圖15 微鏡反射光線(xiàn)示意圖

4、MEMS 加速度計

加速度傳感器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS，作為一個(gè)機械結構為主的技術(shù)，可以通過(guò)設計使一個(gè)部件(圖15中橙色部件)相對底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個(gè)部件稱(chēng)為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過(guò)錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。

綠色部分固定在底座。當感應到加速度時(shí)，質(zhì)量塊相對底座產(chǎn)生位移。通過(guò)一些換能技術(shù)可以將位移轉換為電能，如果采用電容式傳感結構（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號供其信號處理單元采樣。通過(guò)梳齒結構可以極大地擴大傳感面積，提高測量精度，降低信號處理難度。加速度計還可以通過(guò)壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現。

圖15 MEMS加速度計結構示意圖

圖16 MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車(chē)碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對位移，信號處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號，觸發(fā)氣囊。更直觀(guān)的效果可以觀(guān)看視頻。

圖17. 汽車(chē)碰撞后加速度計的輸出變化。

實(shí)物圖，比例尺為20微米，即20/1000毫米。

5、打印噴嘴

一種設計精巧的打印噴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過(guò)程為：1，左側加熱元件小于右側加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側產(chǎn)生更多熱量，形成更大氣泡。左側氣泡首先擴大，從而隔絕左右側液體，保持右側液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

圖18. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

圖19. HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品

另一種類(lèi)型MEMS打印噴頭，也是通過(guò)加熱，氣泡擴大將墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實(shí)物圖:

還有一種類(lèi)型是通過(guò)壓電薄膜震動(dòng)來(lái)擠壓墨水出來(lái)：

6、開(kāi)關(guān)/繼電器

MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)。其優(yōu)勢是體積?。芏雀?，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。

其尺寸微小，接近于固態(tài)開(kāi)關(guān)，而電路通斷采用與機械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢劣勢基本上介于固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統機械開(kāi)關(guān)之間。MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁，主要采用靜電致動(dòng)原理，當提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí)，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng)，當移動(dòng)至總行程的1/3時(shí)，開(kāi)關(guān)將自動(dòng)吸合（稱(chēng)之為pull in現象）。pull in現象在宏觀(guān)世界同樣存在，但是通過(guò)計算可以得知所需的閾值電壓高得離譜，所以我們日常中幾乎不會(huì )看到。

圖20. MEMS開(kāi)關(guān)斷合示意圖

再貼上幾張實(shí)物圖片，與示意圖并非完全一致，但是原理類(lèi)似，都是控制著(zhù)一個(gè)間隙gap接觸與否：

生物類(lèi)實(shí)驗

MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對其進(jìn)行操作。

圖21. MEMS操作細胞示意圖

7、NEMS（納機電系統）

NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電系統）與MEMS類(lèi)似，主要區別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度(小尺寸效應)，比MEMS更高的表面體積比可以提高表面傳感器的敏感程度,(表面效應)，且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。

首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖22所示。器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應用較多的有體加工技術(shù)，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì )在之后的專(zhuān)題進(jìn)行介紹）。

該器件設計用來(lái)進(jìn)行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫(xiě)技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質(zhì)。該數據存儲技術(shù)來(lái)源于A(yíng)FM(原子力顯微鏡)技術(shù)，相比磁存儲技術(shù)，基于A(yíng)FM的存儲技術(shù)具有更大潛力。

快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖23），‘寫(xiě)入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺實(shí)現。

對于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì )被加熱平臺和存儲介質(zhì)的距離調制，然后通過(guò)溫度變化讀取bit。而溫度變化可通過(guò)熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。

圖22. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm

圖23.快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)示意圖