MEMS 是一個(gè)非常獨(dú)特的形態(tài)，與電子和機(jī)械的差異性對(duì)于正確的使用 MEMS 很重要。與傳統(tǒng)機(jī)械器件相比，MEMS具有較大的表面積體積比，靜電荷和磁矩產(chǎn)生的力也更為重要。在 MEMS 尺度上，表面張力和粘度等流體動(dòng)力學(xué)是許多系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)考慮因素。與分子電子學(xué)或納米技術(shù)相比，MEMS 通常不需要考慮表面化學(xué)狀態(tài)。MEMS 技術(shù)可用于從泵到電感器的一系列設(shè)備。開關(guān)技術(shù)是基本 MEMS 實(shí)現(xiàn)的一個(gè)很好的例子，可以使用電阻或電容設(shè)計(jì)。
電阻 MEMS 開關(guān)采用靜電控制的懸臂梁，其壽命取決于懸臂的金屬疲勞、接觸磨損和懸臂變形的發(fā)生。電容式 MEMS 開關(guān)使用傳感元件（例如移動(dòng)板）來改變電容并激活開關(guān)。
MEMS 是一種成熟但仍在不斷發(fā)展的商業(yè)技術(shù)。用于監(jiān)測振動(dòng)、溫度、光以及線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和加速度的各種傳感器是一些常見的 MEMS 應(yīng)用。它們可以在軍事設(shè)備、移動(dòng)電話、車輛以及工業(yè)和通信系統(tǒng)中找到。在醫(yī)療領(lǐng)域，所謂的 bioMEMS 被用來感知生物功能，并提供藥物和其他療法。在工業(yè)和汽車環(huán)境中，它們用于監(jiān)測振動(dòng)并通過提供潛在故障和故障的早期警告來幫助防止故障。在電信領(lǐng)域，MEMS 用作開關(guān)，以及可調(diào)諧激光器、可調(diào)諧濾波器、光開關(guān)、動(dòng)態(tài)增益均衡器、衰減器和其他應(yīng)用（圖 1）。
圖 1：MEMS 器件用于可調(diào)諧激光器、可調(diào)諧濾波器、可變光衰減器 (VOA)、光開關(guān)和其他先進(jìn)的通信設(shè)備。 （圖片：Sercalo Microtechnology）
用于電源應(yīng)用的 MEMS
用于可穿戴設(shè)備、植入式電子設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電源轉(zhuǎn)換器的小型化是 MEMS 電感器發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力之一。目標(biāo)是使用封裝電源 (PwrSiP) 和片上電源 (PwrSoC) 技術(shù)提高集成度，以設(shè)計(jì)提供高效率的微型電源，從而實(shí)現(xiàn)高功率密度。
MEMS 電感器可以按多種方式分類，例如工作頻率、功率處理和幾何形狀。一種常見的分類是基于繞組相對(duì)于基板的位置及其形狀，（圖 2）： (i) 基板上的 2D 電感器，進(jìn)一步細(xì)分為螺旋電感器 (a) 和跑道型電感器 (b)； (ii) 具有磁棒芯 (c) 的 3D 基板上螺線管電感器； (iii) 2D 基板內(nèi)螺旋電感器 (d)，以及 (iv) 3D 基板內(nèi)環(huán)形電感器 (e)。
圖 2：MEMS 功率電感器可按電感器和基板的幾何形狀進(jìn)行分類。黃色箭頭描繪了電流的方向。 （圖片：微系統(tǒng)和納米工程）
MEMS電感器的制造仍然存在挑戰(zhàn)?？招?MEMS 電感器可用于 22 MHz（VHF 范圍）以上的頻率，但較低頻率需要磁芯。不幸的是，雖然可以使用氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體器件來設(shè)計(jì) VHF 功率電子器件，但磁性材料并沒有跟上，而且它們的大磁芯損耗是 VHF 功率轉(zhuǎn)換器開發(fā)的一個(gè)制約因素。
PwrSoC 集成工作正在轉(zhuǎn)向 MEMS 封裝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)微型電源轉(zhuǎn)換器的制造。正在探索的方法包括使用引線鍵合或倒裝芯片技術(shù)的 2D/2.5D 封裝，以及使用 IC 垂直堆疊和基于硅通孔的硅中介層的 3D 封裝。與磁性材料的情況一樣，這些基于 MEMS 的封裝技術(shù)還沒有準(zhǔn)備好進(jìn)行商業(yè)開發(fā)。
MEMS 用于超越 5G 射頻
射頻 MEMS (RF-MEMS) 是無源元件，例如提供改進(jìn)性能的衰減器，包括更好的隔離、更低的功耗、更小和更輕的重量，以及在多 GHz 應(yīng)用中的成本更低。最近，RF-MEMS 已使用表面微加工工藝制造，該工藝使用由多晶硅和鋁保護(hù)的兩個(gè)導(dǎo)電薄膜層，在其上使用電鍍金構(gòu)建實(shí)際的 MEMS 懸浮靜電驅(qū)動(dòng)膜（圖3）。此外，使用鍍金薄膜可將金屬與金屬的接觸電阻降至最低。
圖 3：基于表面微加工工藝的 RF-MEMS 技術(shù)平臺(tái)，用于制造用于多 GHz 應(yīng)用的多態(tài) RF 功率衰減器。 （圖片：自然科學(xué)報(bào)告）
對(duì)更小、更高性能的數(shù) GHz 器件的需求正在推動(dòng) RF-MEMS 技術(shù)的發(fā)展。正在開發(fā) RF-MEMS 設(shè)備以幫助解決諸如極低端到端延遲（預(yù)計(jì)將從 5G 中的 5 毫秒降至 6G 中的 1 毫秒）等挑戰(zhàn)，以及將大規(guī)模 MIMO (mMIMO) 技術(shù)縮減為大型智能表面天線（LISA）技術(shù)。 LISA 將在具有大量獨(dú)立控制的反射表面/天線元件的二維人工結(jié)構(gòu)中使用 RF-MEMS 技術(shù)，以使 mMIMO 能夠適應(yīng)在 30 至 300 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行的小型系統(tǒng)，用于關(guān)鍵應(yīng)用，例如工業(yè) 4.0 中的車對(duì)車通信、遠(yuǎn)程手術(shù)和大規(guī)模機(jī)器對(duì)機(jī)器通信。
pMUT 和元宇宙
觸覺反饋使用力、電信號(hào)或聲壓來產(chǎn)生觸覺。當(dāng)前的設(shè)計(jì)中使用了空氣耦合超聲換能器，但它們體積太大而無法廣泛采用。相反，正在開發(fā)MEMS超聲換能器 (pMUT)。 pMUT 將具有與當(dāng)今空氣耦合超聲換能器相同的 40 kHz 諧振頻率，但體積更小，功耗更低。鋯鈦酸鉛 (PZT) 用作壓電層并使用射頻濺射沉積。諧振腔是通過深度反應(yīng)離子刻蝕釋放圓形薄膜形成的。這些 pMUT 旨在用于大型陣列（圖 4）。當(dāng)以 70 V 峰間電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，單個(gè) pMUT 可產(chǎn)生 0.227 Pa 的聲壓。
圖 4：正在開發(fā) pMUT 陣列，以為元宇宙提供實(shí)時(shí)觸覺反饋。 （圖片：MDPI）
觸覺反饋并不是元宇宙中 pMUT 的唯一潛在應(yīng)用。通過對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)修改，pMUT 有望用于懸浮、粒子操縱和光聲成像。早期開發(fā) pMUT 的努力使用聚偏二氟乙烯 (PVDF) 作為壓電層。 PVDF 的壓電系數(shù)太低，無法產(chǎn)生所需的聲壓來產(chǎn)生基于超聲波的觸覺效果。 PZT 具有所需的壓電系數(shù)，可以制造成 pMUT，適用于使用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備集成到便攜式設(shè)備中。
bioMEMS、μMS 和 CMUT
微流體和生物 MEMS 設(shè)備正被用于一系列醫(yī)療應(yīng)用，包括樣品制備、DNA 提取、擴(kuò)增和鑒定，以及植入式和透皮生物 MEMS 設(shè)備，這些設(shè)備可以遠(yuǎn)程配置以使用微針、MEMS 容器自動(dòng)控制藥物輸送、微型泵和執(zhí)行器。
微磁刺激 (μMS) 使用植入的 MEMS 微線圈來產(chǎn)生用于局部經(jīng)顱磁刺激 (TMS) 的磁場。 MEMS 線圈足夠小，可以直接植入大腦。預(yù)計(jì)它們將促進(jìn)大腦狹窄區(qū)域的受限激活，并為神經(jīng)假肢提供微磁刺激感應(yīng)器。
電容式微機(jī)械超聲換能器 (CMUT) 已被開發(fā)用于增強(qiáng)和替代當(dāng)今基于 PZT 的換能器。在 CMOS 晶圓上制造的 CMUT (CMUT-on-CMOS) 可實(shí)現(xiàn)更大的帶寬，制造具有集成驅(qū)動(dòng)器的大型陣列，并以更低的成本實(shí)現(xiàn)大批量超聲換能器的生產(chǎn)（圖 5）。 CMUT-on-CMOS 是一種高頻（1 至 50 MHz）超聲技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高分辨率 3D 醫(yī)學(xué)成像和可安裝在導(dǎo)管內(nèi)的超小型成像器的開發(fā)。
圖 5：CMUT-on-CMOS 能夠以較低的成本大批量生產(chǎn)高度集成的超聲換能器（圖片：飛利浦工程解決方案）
總結(jié)
MEMS 是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，與傳統(tǒng)的機(jī)械裝置和分子大小的器件相比，它使用完全不同的機(jī)制進(jìn)行操作。 MEMS 器件已經(jīng)廣泛分布在通信、交通、軍事、工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用中。該技術(shù)在電源轉(zhuǎn)換、虛擬世界、6G 電話和高級(jí)醫(yī)療診斷和治療等新興應(yīng)用中不斷發(fā)展。
