MEMS的快速發(fā)展基于相關技術的相對(duì)成(chéng)熟，但是MEMS對(duì)于大部分人來說(shuō)還(hái)是比較陌生的。對(duì)此，本文將(jiāng)詳細爲你講述MEMS技術，帶你全方位的了解MEMS。

寫在前面(miàn)

雖然大部分人對(duì)于MEMS（Microelectromechanical systems，微機電系統/微機械/微系統）還(hái)是感到很陌生，但是其實MEMS在我們生産，甚至生活中早已無處不在了，智能(néng)手機，健身手環、打印機、汽車、無人機以及VR/AR頭戴式設備，部分早期和幾乎所有近期電子産品都(dōu)應用了MEMS器件。

MEMS是一門綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現象及其明顯，主要涉及微加工技術，機械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)，生物學(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(fā)的直徑大約是50微米。

MEMS傳感器主要優點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成(chéng)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(dōu)有研究，不論是消費電子産品、汽車工業、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。

常見産品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電緻動光投影顯示器，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(chéng)熟的微電子技術、集成(chéng)電路技術及其加工工藝。 MEMS往往會(huì)采用常見的機械零件和工具所對(duì)應微觀模拟元件，例如它們可能(néng)包含通道(dào)、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成(chéng)電路批處理式的微制造技術。

批量制造能(néng)顯著降低大規模生産的成(chéng)本。若單個MEMS傳感器芯片面(miàn)積爲5 mm x 5 mm，則一個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），分攤到每個芯片的成(chéng)本則可大幅度降低。

因此MEMS商業化的工程除了提高産品本身性能(néng)、可靠性外，還(hái)有很多工作集中于擴大加工矽片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數，以及盡可能(néng)地縮傳感器大小。


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(guò)程。矽片上的重複單元可稱爲芯片（chip 或die）。

MEMS需要專門的電子電路IC進(jìn)行采樣(yàng)或驅動，一般分别制造好(hǎo)MEMS和IC粘在同一個封裝内可以簡化工藝，如圖3。不過(guò)具有集成(chéng)可能(néng)性是MEMS技術的另一個優點。

正如之前提到的，MEMS和ASIC (專用集成(chéng)電路)采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將(jiāng)二者集成(chéng)，MEMS結構可以更容易地與微電子集成(chéng)。然而，集成(chéng)二者難度還(hái)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(jiāng)會(huì)破壞IC的電學(xué)特性，甚至熔化集成(chéng)電路中低熔點材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術，因爲成(chéng)爲一種(zhǒng)廣泛使用post-CMOS compatible（後(hòu)CMOS兼容）材料。

雖然難度很大，但正在逐步實現。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來創造成(chéng)功商用并具備成(chéng)本效益的MEMS 産品。一個成(chéng)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)信号調理的電壓輸出，所有功能(néng)（MEMS & IC）均集成(chéng)于一個單芯片中。這(zhè)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(hǎo)了再粘合在同一個封裝内


圖4. ADXL203（單片集成(chéng)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，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，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個MEMS麥克風。預計將(jiāng)來高端智能(néng)手機將(jiāng)采用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能(néng)識别、導航/定位等功能(néng)。 MEMS硬件也將(jiāng)成(chéng)爲LTE技術亮點部分，將(jiāng)利用MEMS天線開(kāi)關和數字調諧電容器實現多頻帶技術。

以智能(néng)手機爲主的移動設備中，應用了大量傳感器以增加其智能(néng)性，提高用戶體驗。這(zhè)些傳感器并非手機等移動/通信設備獨有，在本文以及後(hòu)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信息，在此不贅叙。此處主要介紹通信中較爲特别的MEMS器件，主要爲與射頻相關MEMS器件。

通信系統中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國(guó)家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙，wifi等等不同技術使用不同的通信頻率）被(bèi)使用以完成(chéng)通訊功能(néng)，而這(zhè)些頻帶的使用離不開(kāi)頻率的産生。

聲表面(miàn)波器件，作爲一種(zhǒng)片外(off-chip)器件，與IC集成(chéng)難度較大。表面(miàn)聲波（SAW）濾波器曾是手機天線雙工器的中流砥柱。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），該技術能(néng)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)有運動部件，主要通過(guò)體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(kāi)關，加入不同電壓可以使材料發(fā)生相變，分别爲低阻和高阻狀态，詳見後(hòu)續開(kāi)關專題）。

在此值得一提的事(shì)，安華高Avago（前安捷倫半導體事(shì)業部）賣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(guó)被(bèi)抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被(bèi)運用在iphone上作爲重要濾波器組件。下圖爲FBAR和爲SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過(guò)固體聲波在上下表面(miàn)反射形成(chéng)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，其中的紅色線條表示震動幅度。固體聲波在垂直方向(xiàng)發(fā)生反射，從而將(jiāng)能(néng)量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面(miàn)，接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面(miàn)，無法達到完美反射，因此部分能(néng)量向(xiàng)下洩露。


實物FBAR掃描電鏡圖。故意將(jiāng)其設計成(chéng)不平行多邊形是爲了避免水平方向(xiàng)水平方向(xiàng)反射導緻的諧振，如果水平方向(xiàng)有諧振則會(huì)形成(chéng)雜波。


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


圖示爲若幹FBAR連接起(qǐ)來形成(chéng)濾波器。右圖爲封裝好(hǎo)後(hòu)的FBAR濾波器芯片及米粒對(duì)比，該濾波器比米粒還(hái)要小上許多。

2、可穿戴/植入式領域


圖10. 用戶與物聯網

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯網IoT重要一部分，主要功能(néng)是通過(guò)一種(zhǒng)更便攜、快速、友好(hǎo)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(xiàng)用戶提供信息。可穿戴/應該說(shuō)是最受用戶關注，最感興趣的話題了。

大部分用戶對(duì)汽車、打印機内的MEMS無感，這(zhè)些器件與用戶中間經(jīng)過(guò)了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶接觸，提升消費者科技感，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塊：消費、健康及工業，我們在此主要讨論更受關注的前兩(liǎng)者。消費領域的産品包含之前提到的健身手環，還(hái)有智能(néng)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、指标檢測（如血壓、血糖水平），體态監測。MEMS幾乎可以實現人體所有感官功能(néng)，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電子鼻）、觸覺等，各類健康指标可通過(guò)結合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監測。MEMS的采樣(yàng)精度，速度，适用性都(dōu)可以達到較高水平，同時(shí)由于其體積優勢可直接植入人體，是醫療輔助設備中關鍵的組成(chéng)部分。

傳統大型醫療器械優勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一台設備隻完成(chéng)單一功能(néng)。相比之下，某些醫療目标可以通過(guò)MEMS技術，利用其體積小的優勢，深入接觸測量目标，在達到一定的精度下，降低成(chéng)本，完成(chéng)多重功能(néng)的整合。

以近期所了解的一些MEMS項目爲例，通過(guò)MEMS傳感器對(duì)體内某些指标進(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(néng)量收集器進(jìn)行無線供電，多組單元可以通過(guò)MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。

個人認爲，MEMS醫療前景廣闊，不過(guò)離成(chéng)熟運用還(hái)有不短的距離，尤其考慮到技術難度，可靠性，人體安全等。


圖11. MEMS實現人體感官功能(néng)

可穿戴設備中最著名，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(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(duì)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。其中掃描電鏡圖則是來自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。

每個微鏡都(dōu)由若幹錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過(guò)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，將(jiāng)入射光線向(xiàng)特定角度反射。

大量微鏡可以形成(chéng)一個陣列從而進(jìn)行大面(miàn)積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實現，一種(zhǒng)簡單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹，當不同想同一個微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們産生不同形變，從而向(xiàng)指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅動方式，即通入電來産生靜電力來傾斜微鏡。


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的。

顔色通過(guò)使用三芯片方案(每一基色對(duì)應一個芯片)，或通過(guò)一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用後(hòu)者技術的設計通過(guò)色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種(zhǒng)顔色，讓觀衆看到一個完整光譜的圖像。

TI有一個非常非常具體生動的視頻介紹該産品，你可以在這(zhè)個視頻中看到整個微鏡陣列如何對(duì)光進(jìn)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。MEMS，作爲一個機械結構爲主的技術，可以通過(guò)設計使一個部件(圖15中橙色部件)相對(duì)底座substrate産生位移（這(zhè)也是絕大部分MEMS的工作原理），這(zhè)個部件稱爲質量塊（proof mass）。質量塊通過(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)，質量塊相對(duì)底座産生位移。通過(guò)一些換能(néng)技術可以將(jiāng)位移轉換爲電能(néng)，如果采用電容式傳感結構（電容的大小受到兩(liǎng)極闆重疊面(miàn)積或間距影響），電容大小的變化可以産生電流信号供其信号處理單元采樣(yàng)。通過(guò)梳齒結構可以極大地擴大傳感面(miàn)積，提高測量精度，降低信号處理難度。加速度計還(hái)可以通過(guò)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加速度計中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞後(hòu)，傳感器的proof mass産生相對(duì)位移，信号處理單元采集該位移産生的電信号，觸發(fā)氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。


圖17. 汽車碰撞後(hòu)加速度計的輸出變化。


實物圖，比例尺爲20微米，即20/1000毫米。

5、打印噴嘴

一種(zhǒng)設計精巧的打印噴如下圖所示。兩(liǎng)個不同大小的加熱元件産生大小不一的氣泡從而將(jiāng)墨水噴出。具體過(guò)程爲：1，左側加熱元件小于右側加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側産生更多熱量，形成(chéng)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。噴射後(hòu)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生産的噴墨式MEMS相關産品
另一種(zhǒng)類型MEMS打印噴頭，也是通過(guò)加熱，氣泡擴大將(jiāng)墨水擠出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實物圖:

還(hái)有一種(zhǒng)類型是通過(guò)壓電薄膜震動來擠壓墨水出來：

6、開(kāi)關/繼電器
MEMS繼電器與開(kāi)關。其優勢是體積小（密度高，采用微工藝批量制造從而降低成(chéng)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(chéng)電路IC集成(chéng)，極大地提高産品可靠性。
其尺寸微小，接近于固态開(kāi)關，而電路通斷采用與機械接觸（也有部分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繼電器與開(kāi)關一般含有一個可移動懸臂梁，主要采用靜電緻動原理，當提高觸點兩(liǎng)端電壓時(shí)，吸引力增加，引起(qǐ)懸臂梁向(xiàng)另一個觸電移動，當移動至總行程的1/3時(shí)，開(kāi)關將(jiāng)自動吸合（稱之爲pull in現象）。pull in現象在宏觀世界同樣(yàng)存在，但是通過(guò)計算可以得知所需的阈值電壓高得離譜，所以我們日常中幾乎不會(huì)看到。

圖20. MEMS開(kāi)關斷合示意圖

再貼上幾張實物圖片，與示意圖并非完全一緻，但是原理類似，都(dōu)是控制著(zhe)一個間隙gap接觸與否：

生物類實驗
MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對(duì)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類似，主要區别在于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(miàn)體積比可以提高表面(miàn)傳感器的敏感程度,(表面(miàn)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。器件爲一個 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面(miàn)微加工技術加工而成(chéng)（MEMS中采用應用較多的有體加工技術，當然MEMS也采用了不少表面(miàn)微加工技術，關于微加工技術將(jiāng)會(huì)在之後(hòu)的專題進(jìn)行介紹）。
該器件設計用來進(jìn)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潛力。
快速熱機械寫入技術（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖23），‘寫入’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(chéng)納米級别的刻痕，用來代表一個bit。加熱時(shí)通過(guò)一個位于針尖下方的阻性平台實現。
對(duì)于‘讀’，施加一個固定小電流，溫度將(jiāng)會(huì)被(bèi)加熱平台和存儲介質的距離調制，然後(hòu)通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)熱阻效應（溫度變化導緻材料電阻變化）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.快速熱機械寫入技術示意圖