MEMS的快速發展基于相關技(jì )術的相對成熟，但是MEMS對于大部分(fēn)人來說還是比較陌生的。對此，本文(wén)将詳細為(wèi)你講述MEMS技(jì )術，帶你全方位的了解MEMS。

寫在前面

雖然大部分(fēn)人對于MEMS（Microelectromechanical systems，微機電(diàn)系統/微機械/微系統）還是感到很(hěn)陌生，但是其實MEMS在我們生産(chǎn)，甚至生活中(zhōng)早已無處不在了，智能(néng)手機，健身手環、打印機、汽車(chē)、無人機以及VR/AR頭戴式設備，部分(fēn)早期和幾乎所有(yǒu)近期電(diàn)子産(chǎn)品都應用(yòng)了MEMS器件。

MEMS是一門綜合學(xué)科(kē)，學(xué)科(kē)交叉現象及其明顯，主要涉及微加工(gōng)技(jì )術，機械學(xué)/固體(tǐ)聲波理(lǐ)論，熱流理(lǐ)論，電(diàn)子學(xué)，生物(wù)學(xué)等等。MEMS器件的特征長(cháng)度從1毫米到1微米，相比之下頭發的直徑大約是50微米。

MEMS傳感器主要優點是體(tǐ)積小(xiǎo)、重量輕、功耗低、可(kě)靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械傳感器，在各個領域幾乎都有(yǒu)研究，不論是消費電(diàn)子産(chǎn)品、汽車(chē)工(gōng)業、甚至航空航天、機械、化工(gōng)及醫(yī)藥等各領域。

常見産(chǎn)品有(yǒu)壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電(diàn)緻動光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。

MEMS的快速發展是基于MEMS之前已經相當成熟的微電(diàn)子技(jì )術、集成電(diàn)路技(jì )術及其加工(gōng)工(gōng)藝。 MEMS往往會采用(yòng)常見的機械零件和工(gōng)具(jù)所對應微觀模拟元件，例如它們可(kě)能(néng)包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工(gōng)技(jì )術并非機械式。相反，它們采用(yòng)類似于集成電(diàn)路批處理(lǐ)式的微制造技(jì )術。

批量制造能(néng)顯著降低大規模生産(chǎn)的成本。若單個MEMS傳感器芯片面積為(wèi)5 mm x 5 mm，則一個8英寸(直徑20厘米)矽片(wafer)可(kě)切割出約1000個MEMS傳感器芯片（圖1），分(fēn)攤到每個芯片的成本則可(kě)大幅度降低。

因此MEMS商(shāng)業化的工(gōng)程除了提高産(chǎn)品本身性能(néng)、可(kě)靠性外，還有(yǒu)很(hěn)多(duō)工(gōng)作(zuò)集中(zhōng)于擴大加工(gōng)矽片半徑（切割出更多(duō)芯片），減少工(gōng)藝步驟總數，以及盡可(kě)能(néng)地縮傳感器大小(xiǎo)。


圖1. 8英寸矽片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖


圖2. 從矽原料到矽片過程。矽片上的重複單元可(kě)稱為(wèi)芯片（chip 或die）。

MEMS需要專門的電(diàn)子電(diàn)路IC進行采樣或驅動，一般分(fēn)别制造好MEMS和IC粘在同一個封裝(zhuāng)内可(kě)以簡化工(gōng)藝，如圖3。不過具(jù)有(yǒu)集成可(kě)能(néng)性是MEMS技(jì )術的另一個優點。

正如之前提到的，MEMS和ASIC (專用(yòng)集成電(diàn)路)采用(yòng)相似的工(gōng)藝，因此具(jù)有(yǒu)極大地潛力将二者集成，MEMS結構可(kě)以更容易地與微電(diàn)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(fēn)的完整性。

例如，部分(fēn)MEMS器件需要高溫工(gōng)藝，而高溫工(gōng)藝将會破壞IC的電(diàn)學(xué)特性，甚至熔化集成電(diàn)路中(zhōng)低熔點材料。MEMS常用(yòng)的壓電(diàn)材料氮化鋁由于其低溫沉積技(jì )術，因為(wèi)成為(wèi)一種廣泛使用(yòng)post-CMOS compatible（後CMOS兼容）材料。

雖然難度很(hěn)大，但正在逐步實現。與此同時，許多(duō)制造商(shāng)已經采用(yòng)了混合方法來創造成功商(shāng)用(yòng)并具(jù)備成本效益的MEMS 産(chǎn)品。一個成功的例子是ADXL203，圖4。

ADXL203是完整的高精(jīng)度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經過信号調理(lǐ)的電(diàn)壓輸出，所有(yǒu)功能(néng)（MEMS & IC）均集成于一個單芯片中(zhōng)。這些器件的滿量程加速度測量範圍為(wèi)±1.7 g，既可(kě)以測量動态加速度（例如振動），也可(kě)以測量靜态加速度（例如重力）。


圖3. MEMS與IC在不同的矽片上制造好了再粘合在同一個封裝(zhuāng)内


圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

1、通信/移動設備


圖7. 智能(néng)手機簡化示意圖

在智能(néng)手機中(zhōng)，iPhone 5采用(yòng)了4個 MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用(yòng)了八個MEMS傳感器。

iPhone 6 Plus使用(yòng)了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電(diàn)子羅盤（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，環境光傳感器(來自AMS的TSL2581 )和MEMS麥克風。

iphone 6s與之類似，稍微多(duō)一些MEMS器件，例如采用(yòng)了4個MEMS麥克風。預計将來高端智能(néng)手機将采用(yòng)數十個MEMS器件以實現多(duō)模通信、智能(néng)識别、導航/定位等功能(néng)。 MEMS硬件也将成為(wèi)LTE技(jì )術亮點部分(fēn)，将利用(yòng)MEMS天線(xiàn)開關和數字調諧電(diàn)容器實現多(duō)頻帶技(jì )術。

以智能(néng)手機為(wèi)主的移動設備中(zhōng)，應用(yòng)了大量傳感器以增加其智能(néng)性，提高用(yòng)戶體(tǐ)驗。這些傳感器并非手機等移動/通信設備獨有(yǒu)，在本文(wén)以及後續文(wén)章其他(tā)地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體(tǐ)感官傳感器等可(kě)以了解相關信息，在此不贅叙。此處主要介紹通信中(zhōng)較為(wèi)特别的MEMS器件，主要為(wèi)與射頻相關MEMS器件。

通信系統中(zhōng)，大量不同頻率的頻帶（例如不同國(guó)家，不同公(gōng)司間使用(yòng)不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙，wifi等等不同技(jì )術使用(yòng)不同的通信頻率）被使用(yòng)以完成通訊功能(néng)，而這些頻帶的使用(yòng)離不開頻率的産(chǎn)生。

聲表面波器件，作(zuò)為(wèi)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(gōng)器的中(zhōng)流砥柱。2005年，安(ān)捷倫科(kē)技(jì )推出基于MEMS體(tǐ)聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技(jì )術能(néng)夠節省四分(fēn)之三的空間。

BAW器件不同于其他(tā)MEMS的地方在于BAW沒有(yǒu)運動部件，主要通過體(tǐ)積膨脹與收縮實現其功能(néng)。（另外一個非位移式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關，加入不同電(diàn)壓可(kě)以使材料發生相變，分(fēn)别為(wèi)低阻和高阻狀态，詳見後續開關專題）。

在此值得一提的事，安(ān)華高Avago（前安(ān)捷倫半導體(tǐ)事業部）賣的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時間天津大學(xué)在美國(guó)被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電(diàn)材料的沉積技(jì )術的巨大進步，AlN FBAR已經被運用(yòng)在iphone上作(zuò)為(wèi)重要濾波器組件。下圖為(wèi)FBAR和為(wèi)SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理(lǐ)主要通過固體(tǐ)聲波在上下表面反射形成諧振腔。


圖8. FBAR示意圖，壓電(diàn)薄膜懸空在腔體(tǐ)至上


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


如果所示，其中(zhōng)的紅色線(xiàn)條表示震動幅度。固體(tǐ)聲波在垂直方向發生反射，從而将能(néng)量集中(zhōng)于中(zhōng)間橙色的壓電(diàn)層中(zhōng)。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，無法達到完美反射，因此部分(fēn)能(néng)量向下洩露。


實物(wù)FBAR掃描電(diàn)鏡圖。故意将其設計成不平行多(duō)邊形是為(wèi)了避免水平方向水平方向反射導緻的諧振，如果水平方向有(yǒu)諧振則會形成雜波。


上圖所示為(wèi)消除雜波前後等效導納（即阻抗倒數，或者簡單理(lǐ)解為(wèi)電(diàn)阻值倒數）。消除雜波後其特性曲線(xiàn)更平滑，效率更高，損耗更小(xiǎo)，所形成的濾波器在同頻帶内的紋波更小(xiǎo)。


圖示為(wèi)若幹FBAR連接起來形成濾波器。右圖為(wèi)封裝(zhuāng)好後的FBAR濾波器芯片及米粒對比，該濾波器比米粒還要小(xiǎo)上許多(duō)。

2、可(kě)穿戴/植入式領域


圖10. 用(yòng)戶與物(wù)聯網

可(kě)穿戴/植入式MEMS屬于物(wù)聯網IoT重要一部分(fēn)，主要功能(néng)是通過一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分(fēn)精(jīng)度達不到大型外置儀器的水平）直接向用(yòng)戶提供信息。可(kě)穿戴/應該說是最受用(yòng)戶關注，最感興趣的話題了。

大部分(fēn)用(yòng)戶對汽車(chē)、打印機内的MEMS無感，這些器件與用(yòng)戶中(zhōng)間經過了數層中(zhōng)介。但是可(kě)穿戴/直接與用(yòng)戶接觸，提升消費者科(kē)技(jì )感，更受年輕用(yòng)戶喜愛，例子可(kě)見Fitbit等健身手環。

該領域最重要的主要有(yǒu)三大塊：消費、健康及工(gōng)業，我們在此主要讨論更受關注的前兩者。消費領域的産(chǎn)品包含之前提到的健身手環，還有(yǒu)智能(néng)手表等。健康領域，即醫(yī)療領域，主要包括診斷，治療，監測和護理(lǐ)。

比如助聽、指标檢測（如血壓、血糖水平），體(tǐ)态監測。MEMS幾乎可(kě)以實現人體(tǐ)所有(yǒu)感官功能(néng)，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電(diàn)子鼻）、觸覺等，各類健康指标可(kě)通過結合MEMS與生物(wù)化學(xué)進行監測。MEMS的采樣精(jīng)度，速度，适用(yòng)性都可(kě)以達到較高水平，同時由于其體(tǐ)積優勢可(kě)直接植入人體(tǐ)，是醫(yī)療輔助設備中(zhōng)關鍵的組成部分(fēn)。

傳統大型醫(yī)療器械優勢明顯，精(jīng)度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一台設備隻完成單一功能(néng)。相比之下，某些醫(yī)療目标可(kě)以通過MEMS技(jì )術，利用(yòng)其體(tǐ)積小(xiǎo)的優勢，深入接觸測量目标，在達到一定的精(jīng)度下，降低成本，完成多(duō)重功能(néng)的整合。

以近期所了解的一些MEMS項目為(wèi)例，通過MEMS傳感器對體(tǐ)内某些指标進行測量，同時MEMS執行器（actuator）可(kě)直接作(zuò)用(yòng)于器官或病變組織進行更直接的治療，同時系統可(kě)以通過MEMS能(néng)量收集器進行無線(xiàn)供電(diàn)，多(duō)組單元可(kě)以通過MEMS通信器進行信息傳輸。

個人認為(wèi)，MEMS醫(yī)療前景廣闊，不過離成熟運用(yòng)還有(yǒu)不短的距離，尤其考慮到技(jì )術難度，可(kě)靠性，人體(tǐ)安(ān)全等。


圖11. MEMS實現人體(tǐ)感官功能(néng)

可(kě)穿戴設備中(zhōng)最著名(míng)，流行的便數蘋果手表了，其實蘋果手表和蘋果手表結構已經非常相似了，處理(lǐ)器、存儲單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對此不在贅叙。


圖12. 蘋果手表示意圖

3、投影儀

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

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

大量微鏡可(kě)以形成一個陣列從而進行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可(kě)以通過許多(duō)方式實現，一種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹，當不同想同一個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電(diàn)流時，可(kě)以使它們産(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用(yòng)的是靜電(diàn)驅動方式，即通入電(diàn)來産(chǎn)生靜電(diàn)力來傾斜微鏡。


圖13 微鏡的SEM示意圖


圖14 微鏡結構示意圖

德(dé)州儀器的數字微鏡器件(DMD)，廣泛應用(yòng)于商(shāng)用(yòng)或教學(xué)用(yòng)投影機單元以及數字影院中(zhōng)。每16平方微米微鏡使用(yòng)其與其下的CMOS存儲單元之間的電(diàn)勢進行靜電(diàn)緻動。灰度圖像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啓和關閉狀态之間産(chǎn)生的。

顔色通過使用(yòng)三芯片方案(每一基色對應一個芯片)，或通過一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用(yòng)後者技(jì )術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顔色，讓觀衆看到一個完整光譜的圖像。

TI有(yǒu)一個非常非常具(jù)體(tǐ)生動的視頻介紹該産(chǎn)品，你可(kě)以在這個視頻中(zhōng)看到整個微鏡陣列如何對光進行不同角度的折射。


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(yòng)的MEMS之一。MEMS，作(zuò)為(wèi)一個機械結構為(wèi)主的技(jì )術，可(kě)以通過設計使一個部件(圖15中(zhōng)橙色部件)相對底座substrate産(chǎn)生位移（這也是絕大部分(fēn)MEMS的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)），這個部件稱為(wèi)質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。

綠色部分(fēn)固定在底座。當感應到加速度時，質(zhì)量塊相對底座産(chǎn)生位移。通過一些換能(néng)技(jì )術可(kě)以将位移轉換為(wèi)電(diàn)能(néng)，如果采用(yòng)電(diàn)容式傳感結構（電(diàn)容的大小(xiǎo)受到兩極闆重疊面積或間距影響），電(diàn)容大小(xiǎo)的變化可(kě)以産(chǎn)生電(diàn)流信号供其信号處理(lǐ)單元采樣。通過梳齒結構可(kě)以極大地擴大傳感面積，提高測量精(jīng)度，降低信号處理(lǐ)難度。加速度計還可(kě)以通過壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實現。


圖15 MEMS加速度計結構示意圖


圖16 MEMS加速度計中(zhōng)位移與電(diàn)容變化示意圖

汽車(chē)碰撞後，傳感器的proof mass産(chǎn)生相對位移，信号處理(lǐ)單元采集該位移産(chǎn)生的電(diàn)信号，觸發氣囊。更直觀的效果可(kě)以觀看視頻。


圖17. 汽車(chē)碰撞後加速度計的輸出變化。


實物(wù)圖，比例尺為(wèi)20微米，即20/1000毫米。

5、打印噴嘴

一種設計精(jīng)巧的打印噴如下圖所示。兩個不同大小(xiǎo)的加熱元件産(chǎn)生大小(xiǎo)不一的氣泡從而将墨水噴出。具(jù)體(tǐ)過程為(wèi)：1，左側加熱元件小(xiǎo)于右側加熱元件，通入相同電(diàn)流時，左側産(chǎn)生更多(duō)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(tǐ)，保持右側液體(tǐ)高壓力使其噴射。噴射後氣泡破裂，液體(tǐ)重新(xīn)填充該腔體(tǐ)。


圖18. 采用(yòng)氣泡膨脹的噴墨式MEMS

圖19. HP生産(chǎn)的噴墨式MEMS相關産(chǎn)品
另一種類型MEMS打印噴頭，也是通過加熱，氣泡擴大将墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物(wù)圖:

還有(yǒu)一種類型是通過壓電(diàn)薄膜震動來擠壓墨水出來：

6、開關/繼電(diàn)器
MEMS繼電(diàn)器與開關。其優勢是體(tǐ)積小(xiǎo)（密度高，采用(yòng)微工(gōng)藝批量制造從而降低成本），速度快，有(yǒu)望取代帶部分(fēn)傳統電(diàn)磁式繼電(diàn)器，并且可(kě)以直接與集成電(diàn)路IC集成，極大地提高産(chǎn)品可(kě)靠性。
其尺寸微小(xiǎo)，接近于固态開關，而電(diàn)路通斷采用(yòng)與機械接觸（也有(yǒu)部分(fēn)産(chǎn)品采用(yòng)其他(tā)通斷方式），其優勢劣勢基本上介于固态開關與傳統機械開關之間。MEMS繼電(diàn)器與開關一般含有(yǒu)一個可(kě)移動懸臂梁，主要采用(yòng)靜電(diàn)緻動原理(lǐ)，當提高觸點兩端電(diàn)壓時，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個觸電(diàn)移動，當移動至總行程的1/3時，開關将自動吸合（稱之為(wèi)pull in現象）。pull in現象在宏觀世界同樣存在，但是通過計算可(kě)以得知所需的阈值電(diàn)壓高得離譜，所以我們日常中(zhōng)幾乎不會看到。

圖20. MEMS開關斷合示意圖

再貼上幾張實物(wù)圖片，與示意圖并非完全一緻，但是原理(lǐ)類似，都是控制着一個間隙gap接觸與否：

生物(wù)類實驗
MEMS器件由于其尺寸接近生物(wù)細胞，因此可(kě)以直接對其進行操作(zuò)。

圖21. MEMS操作(zuò)細胞示意圖
7、NEMS（納機電(diàn)系統）
NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電(diàn)系統）與MEMS類似，主要區(qū)别在于NEMS尺度/重量更小(xiǎo)，諧振頻率高，可(kě)以達到極高測量精(jīng)度(小(xiǎo)尺寸效應)，比MEMS更高的表面體(tǐ)積比可(kě)以提高表面傳感器的敏感程度,(表面效應)，且具(jù)有(yǒu)利用(yòng)量子效應探索新(xīn)型測量手段的潛力。
首個NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖22所示。器件為(wèi)一個 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用(yòng)表面微加工(gōng)技(jì )術加工(gōng)而成（MEMS中(zhōng)采用(yòng)應用(yòng)較多(duō)的有(yǒu)體(tǐ)加工(gōng)技(jì )術，當然MEMS也采用(yòng)了不少表面微加工(gōng)技(jì )術，關于微加工(gōng)技(jì )術将會在之後的專題進行介紹）。
該器件設計用(yòng)來進行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫技(jì )術（thermomechanical writing and readout），高聚物(wù)薄膜作(zuò)為(wèi)存儲介質(zhì)。該數據存儲技(jì )術來源于AFM(原子力顯微鏡)技(jì )術，相比磁存儲技(jì )術，基于AFM的存儲技(jì )術具(jù)有(yǒu)更大潛力。
快速熱機械寫入技(jì )術（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖23），‘寫入’時通過加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物(wù)polymer，同時施加微小(xiǎo)壓力，形成納米級别的刻痕，用(yòng)來代表一個bit。加熱時通過一個位于針尖下方的阻性平台實現。
對于‘讀’，施加一個固定小(xiǎo)電(diàn)流，溫度将會被加熱平台和存儲介質(zhì)的距離調制，然後通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可(kě)通過熱阻效應（溫度變化導緻材料電(diàn)阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導緻形變，從而導緻導緻材料電(diàn)阻變化）讀取。

圖22. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電(diàn)鏡圖（SEM）其針尖小(xiǎo)于20nm

圖23.快速熱機械寫入技(jì )術示意圖