MEMS的快速發展基于相關技術的相對成熟，但是MEMS對于大(dà)部分(fēn)人來說還是比較陌生(shēng)的。對此，本文将詳細爲你講述MEMS技術，帶你全方位的了解MEMS。

寫在前面

雖然大(dà)部分(fēn)人對于MEMS（Microelectromechanical systems，微機電(diàn)系統/微機械/微系統）還是感到很陌生(shēng)，但是其實MEMS在我(wǒ)(wǒ)們生(shēng)産，甚至生(shēng)活中(zhōng)早已無處不在了，智能手機，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)早期和幾乎所有近期電(diàn)子産品都應用了MEMS器件。

MEMS是一(yī)門綜合學科，學科交叉現象及其明顯，主要涉及微加工(gōng)技術，機械學/固體(tǐ)聲波理論，熱流理論，電(diàn)子學，生(shēng)物(wù)學等等。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米，相比之下(xià)頭發的直徑大(dà)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研究，不論是消費(fèi)電(diàn)子産品、汽車(chē)工(gōng)業、甚至航空航天、機械、化工(gōng)及醫藥等各領域。

常見産品有壓力傳感器，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)子技術、集成電(diàn)路技術及其加工(gōng)工(gōng)藝。 MEMS往往會采用常見的機械零件和工(gōng)具所對應微觀模拟元件，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(gōng)技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電(diàn)路批處理式的微制造技術。

批量制造能顯著降低大(dà)規模生(shēng)産的成本。若單個MEMS傳感器芯片面積爲5 mm x 5 mm，則一(yī)個8英寸(直徑20厘米)矽片(wafer)可切割出約1000個MEMS傳感器芯片（圖1），分(fēn)攤到每個芯片的成本則可大(dà)幅度降低。

因此MEMS商(shāng)業化的工(gōng)程除了提高産品本身性能、可靠性外(wài)，還有很多工(gōng)作集中(zhōng)于擴大(dà)加工(gōng)矽片半徑（切割出更多芯片），減少工(gōng)藝步驟總數，以及盡可能地縮傳感器大(dà)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稱爲芯片（chip 或die）。

MEMS需要專門的電(diàn)子電(diàn)路IC進行采樣或驅動，一(yī)般分(fēn)别制造好MEMS和IC粘在同一(yī)個封裝内可以簡化工(gōng)藝，如圖3。不過具有集成可能性是MEMS技術的另一(yī)個優點。

正如之前提到的，MEMS和ASIC (專用集成電(diàn)路)采用相似的工(gōng)藝，因此具有極大(dà)地潛力将二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電(diàn)子集成。然而，集成二者難度還是非常大(dà)，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)學特性，甚至熔化集成電(diàn)路中(zhōng)低熔點材料。MEMS常用的壓電(diàn)材料氮化鋁由于其低溫沉積技術，因爲成爲一(yī)種廣泛使用post-CMOS compatible（後CMOS兼容）材料。

雖然難度很大(dà)，但正在逐步實現。與此同時，許多制造商(shāng)已經采用了混合方法來創造成功商(shāng)用并具備成本效益的MEMS 産品。一(yī)個成功的例子是ADXL203，圖4。

ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經過信号調理的電(diàn)壓輸出，所有功能（MEMS & IC）均集成于一(yī)個單芯片中(zhōng)。這些器件的滿量程加速度測量範圍爲±1.7 g，既可以測量動态加速度（例如振動），也可以測量靜态加速度（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(yī)個封裝内


圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

1、通信/移動設備


圖7. 智能手機簡化示意圖

在智能手機中(zhōng)，iPhone 5采用了4個 MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了八個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(diàn)子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大(dà)氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器(Authen Tec的TMDR92)、距離(lí)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，稍微多一(yī)些MEMS器件，例如采用了4個MEMS麥克風。預計将來高端智能手機将采用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能識别、導航/定位等功能。 MEMS硬件也将成爲LTE技術亮點部分(fēn)，将利用MEMS天線開(kāi)關和數字調諧電(diàn)容器實現多頻(pín)帶技術。

以智能手機爲主的移動設備中(zhōng)，應用了大(dà)量傳感器以增加其智能性，提高用戶體(tǐ)驗。這些傳感器并非手機等移動/通信設備獨有，在本文以及後續文章其他地方所介紹的加速度、化學元素、人體(tǐ)感官傳感器等可以了解相關信息，在此不贅叙。此處主要介紹通信中(zhōng)較爲特别的MEMS器件，主要爲與射頻(pín)相關MEMS器件。

通信系統中(zhōng)，大(dà)量不同頻(pín)率的頻(pín)帶（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻(pín)率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍(lán)牙，wifi等等不同技術使用不同的通信頻(pín)率）被使用以完成通訊功能，而這些頻(pín)帶的使用離(lí)不開(kāi)頻(pín)率的産生(shēng)。

聲表面波器件，作爲一(yī)種片外(wài)(off-chip)器件，與IC集成難度較大(dà)。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線雙工(gōng)器的中(zhōng)流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基于MEMS體(tǐ)聲波（BAW）諧振器的頻(pín)率器件（濾波器），該技術能夠節省四分(fēn)之三的空間。

BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒有運動部件，主要通過體(tǐ)積膨脹與收縮實現其功能。（另外(wài)一(yī)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(kāi)關，加入不同電(diàn)壓可以使材料發生(shēng)相變，分(fēn)别爲低阻和高阻狀态，詳見後續開(kāi)關專題）。

在此值得一(yī)提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體(tǐ)事業部）賣的如火(huǒ)如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時間天津大(dà)學在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電(diàn)材料的沉積技術的巨大(dà)進步，AlN FBAR已經被運用在iphone上作爲重要濾波器組件。下(xià)圖爲FBAR和爲SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過固體(tǐ)聲波在上下(xià)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Bragg reflector布拉格反射層)


如果所示，其中(zhōng)的紅色線條表示震動幅度。固體(tǐ)聲波在垂直方向發生(shēng)反射，從而将能量集中(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)能量向下(xià)洩露。


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


上圖所示爲消除雜(zá)波前後等效導納（即阻抗倒數，或者簡單理解爲電(diàn)阻值倒數）。消除雜(zá)波後其特性曲線更平滑，效率更高，損耗更小(xiǎo)，所形成的濾波器在同頻(pín)帶内的紋波更小(xiǎo)。


圖示爲若幹FBAR連接起來形成濾波器。右圖爲封裝好後的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。

2、可穿戴/植入式領域


圖10. 用戶與物(wù)聯網

可穿戴/植入式MEMS屬于物(wù)聯網IoT重要一(yī)部分(fēn)，主要功能是通過一(yī)種更便攜、快速、友好的方式（目前大(dà)部分(fēn)精度達不到大(dà)型外(wài)置儀器的水平）直接向用戶提供信息。可穿戴/應該說是最受用戶關注，最感興趣的話(huà)題了。

大(dà)部分(fēn)用戶對汽車(chē)、打印機内的MEMS無感，這些器件與用戶中(zhōng)間經過了數層中(zhōng)介。但是可穿戴/直接與用戶接觸，提升消費(fèi)者科技感，更受年輕用戶喜愛，例子可見Fitbit等健身手環。

該領域最重要的主要有三大(dà)塊：消費(fèi)、健康及工(gōng)業，我(wǒ)(wǒ)們在此主要讨論更受關注的前兩者。消費(fèi)領域的産品包含之前提到的健身手環，還有智能手表等。健康領域，即醫療領域，主要包括診斷，治療，監測和護理。

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

傳統大(dà)型醫療器械優勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大(dà)，且一(yī)般一(yī)台設備隻完成單一(yī)功能。相比之下(xià)，某些醫療目标可以通過MEMS技術，利用其體(tǐ)積小(xiǎo)的優勢，深入接觸測量目标，在達到一(yī)定的精度下(xià)，降低成本，完成多重功能的整合。

以近期所了解的一(yī)些MEMS項目爲例，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）可直接作用于器官或病變組織進行更直接的治療，同時系統可以通過MEMS能量收集器進行無線供電(diàn)，多組單元可以通過MEMS通信器進行信息傳輸。

個人認爲，MEMS醫療前景廣闊，不過離(lí)成熟運用還有不短的距離(lí)，尤其考慮到技術難度，可靠性，人體(tǐ)安全等。


圖11. MEMS實現人體(tǐ)感官功能

可穿戴設備中(zhōng)最著名，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(wài)部激勵從而控制同一(yī)個微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，将入射光線向特定角度反射。

大(dà)量微鏡可以形成一(yī)個陣列從而進行大(dà)面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過許多方式實現，一(yī)種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹，當不同想同一(yī)個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電(diàn)流時，可以使它們産生(shēng)不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電(diàn)驅動方式，即通入電(diàn)來産生(shēng)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

德州儀器的數字微鏡器件(DMD)，廣泛應用于商(shāng)用或教學用投影機單元以及數字影院中(zhōng)。每16平方微米微鏡使用其與其下(xià)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(kāi)啓和關閉狀态之間産生(shēng)的。

顔色通過使用三芯片方案(每一(yī)基色對應一(yī)個芯片)，或通過一(yī)個單芯片以及一(yī)個色環或RGB LED光源來加入。采用後者技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(yī)個完整光譜的圖像。

TI有一(yī)個非常非常具體(tǐ)生(shēng)動的視頻(pín)介紹該産品，你可以在這個視頻(pín)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(yī)。MEMS，作爲一(yī)個機械結構爲主的技術，可以通過設計使一(yī)個部件(圖15中(zhōng)橙色部件)相對底座substrate産生(shēng)位移（這也是絕大(dà)部分(fēn)MEMS的工(gōng)作原理），這個部件稱爲質量塊（proof mass）。質量塊通過錨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，質量塊相對底座産生(shēng)位移。通過一(yī)些換能技術可以将位移轉換爲電(diàn)能，如果采用電(diàn)容式傳感結構（電(diàn)容的大(dà)小(xiǎo)受到兩極闆重疊面積或間距影響），電(diàn)容大(dà)小(xiǎo)的變化可以産生(shēng)電(diàn)流信号供其信号處理單元采樣。通過梳齒結構可以極大(dà)地擴大(dà)傳感面積，提高測量精度，降低信号處理難度。加速度計還可以通過壓阻式、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産生(shēng)相對位移，信号處理單元采集該位移産生(shēng)的電(diàn)信号，觸發氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻(pín)。


圖17. 汽車(chē)碰撞後加速度計的輸出變化。


實物(wù)圖，比例尺爲20微米，即20/1000毫米。

5、打印噴嘴

一(yī)種設計精巧的打印噴如下(xià)圖所示。兩個不同大(dà)小(xiǎo)的加熱元件産生(shēng)大(dà)小(xiǎo)不一(yī)的氣泡從而将墨水噴出。具體(tǐ)過程爲：1，左側加熱元件小(xiǎo)于右側加熱元件，通入相同電(diàn)流時，左側産生(shēng)更多熱量，形成更大(dà)氣泡。左側氣泡首先擴大(dà)，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)重新填充該腔體(tǐ)。


圖18. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

圖19. HP生(shēng)産的噴墨式MEMS相關産品
另一(yī)種類型MEMS打印噴頭，也是通過加熱，氣泡擴大(dà)将墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物(wù)圖:

還有一(yī)種類型是通過壓電(diàn)薄膜震動來擠壓墨水出來：

6、開(kāi)關/繼電(diàn)器
MEMS繼電(diàn)器與開(kāi)關。其優勢是體(tǐ)積小(xiǎo)（密度高，采用微工(gōng)藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分(fēn)傳統電(diàn)磁式繼電(diàn)器，并且可以直接與集成電(diàn)路IC集成，極大(dà)地提高産品可靠性。
其尺寸微小(xiǎo)，接近于固态開(kāi)關，而電(diàn)路通斷采用與機械接觸（也有部分(fēn)産品采用其他通斷方式），其優勢劣勢基本上介于固态開(kāi)關與傳統機械開(kāi)關之間。MEMS繼電(diàn)器與開(kāi)關一(yī)般含有一(yī)個可移動懸臂梁，主要采用靜電(diàn)緻動原理，當提高觸點兩端電(diàn)壓時，吸引力增加，引起懸臂梁向另一(yī)個觸電(diàn)移動，當移動至總行程的1/3時，開(kāi)關将自動吸合（稱之爲pull in現象）。pull in現象在宏觀世界同樣存在，但是通過計算可以得知(zhī)所需的阈值電(diàn)壓高得離(lí)譜，所以我(wǒ)(wǒ)們日常中(zhōng)幾乎不會看到。

圖20. MEMS開(kāi)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(yī)緻，但是原理類似，都是控制着一(yī)個間隙gap接觸與否：

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

圖21. MEMS操作細胞示意圖
7、NEMS（納機電(diàn)系統）
NEMS（Nanoelectromechanical systems, 納機電(diàn)系統）與MEMS類似，主要區别在于NEMS尺度/重量更小(xiǎo)，諧振頻(pín)率高，可以達到極高測量精度(小(xiǎo)尺寸效應)，比MEMS更高的表面體(tǐ)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NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖22所示。器件爲一(yī)個 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工(gōng)技術加工(gōng)而成（MEMS中(zhōng)采用應用較多的有體(tǐ)加工(gōng)技術，當然MEMS也采用了不少表面微加工(gōng)技術，關于微加工(gōng)技術将會在之後的專題進行介紹）。
該器件設計用來進行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫技術（thermomechanical writing and readout），高聚物(wù)薄膜作爲存儲介質。該數據存儲技術來源于AFM(原子力顯微鏡)技術，相比磁存儲技術，基于AFM的存儲技術具有更大(dà)潛力。
快速熱機械寫入技術（Fast thermomechanical writing）基于以下(xià)概念（圖23），‘寫入’時通過加熱的針尖局部軟化/融化下(xià)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，用來代表一(yī)個bit。加熱時通過一(yī)個位于針尖下(xià)方的阻性平台實現。
對于‘讀’，施加一(yī)個固定小(xiǎo)電(diàn)流，溫度将會被加熱平台和存儲介質的距離(lí)調制，然後通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應（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.快速熱機械寫入技術示意圖