雖然大部分人對(duì)于MEMS（Microelectromechanical systems， 微機(jī)電系統(tǒng)/微機(jī)械/微系統(tǒng)）還是感到很陌生，但是其實(shí)MEMS在我們生產(chǎn)，甚至生活中早已無處不在了，智能手機(jī)，健身手環(huán)、打印機(jī)、汽車、無人機(jī)以及VR/AR頭戴式設(shè)備，部分早期和幾乎所有近期電子產(chǎn)品都應(yīng)用了MEMS器件。
MEMS是一門綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現(xiàn)象及其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機(jī)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(yōu)點(diǎn)是體積小、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(tǒng)機(jī)械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、甚至航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。常見產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計(jì)，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴(kuò)增微系統(tǒng)，催化傳感器。
MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當(dāng)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)采用常見的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。批量制造能顯著降低大規(guī)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?jǐn)偟矫總€(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(kuò)大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數(shù)，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. 硅片，其上的重復(fù)單元可稱為芯片（chip 或die）
MEMS需要專門的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅(qū)動(dòng)，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內(nèi)可以簡化工藝，如圖3。不過具有集成可能性是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(jié)構(gòu)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?yàn)槌蔀橐环N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(xiàn)。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來創(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(jì)，提供經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的電壓輸出，所有功能均集成于一個(gè)單芯片IC中。這些器件的滿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）。（ADXL203 精密±1.7g 雙軸iMEMS? 加速度計(jì)數(shù)據(jù)手冊及應(yīng)用電路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）
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(nèi)（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; G?ran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS andICs，Microsystems & Nanoengineering， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems & Nanoengineering）
圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）
NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）
NEMS（Nanoelectromechanical systems， 納機(jī)電系統(tǒng)）與MEMS類似，主要區(qū)別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達(dá)到極高測量精度（小尺寸效應(yīng)），比MEMS更高的表面體積比可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭?，（表面效?yīng)），且具有利用量子效應(yīng)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5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(yīng)用較多的有體加工技術(shù)，當(dāng)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)在之后的專題進(jìn)行介紹）。該器件設(shè)計(jì)用來進(jìn)行超高密度，快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基于熱機(jī)械讀寫技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來源于AFM（原子力顯微鏡）技術(shù)，相比磁存儲(chǔ)技術(shù)，基于AFM的存儲(chǔ)技術(shù)具有更大潛力。
快速熱機(jī)械寫入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖6），‘寫入’時(shí)通過加熱的針尖局部軟化/融化polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級(jí)別的刻痕，用來代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì)被加熱平臺(tái)和存儲(chǔ)介質(zhì)的距離調(diào)制，然后通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應(yīng)（溫度變化導(dǎo)致材料電阻變化）或者壓阻效應(yīng)（材料收到壓力導(dǎo)致形變，從而導(dǎo)致導(dǎo)致材料電阻變化）讀取。
圖5. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm
圖6.快速熱機(jī)械寫入技術(shù)示意圖
通信/移動(dòng)設(shè)備
圖7. 智能手機(jī)簡化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features，http://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge）
在智能手機(jī)中，iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機(jī)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(jì)（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計(jì)（Bosch Sensortec BMA280），磁力計(jì)，大氣壓力計(jì)（Bosch Sensortec BM［280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器，環(huán)境光傳感器（來自AMS的TSL2581 ）和MEMS麥克風(fēng)。iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預(yù)計(jì)將來高端智能手機(jī)將采用數(shù)十個(gè)MEMS器件以實(shí)現(xiàn)多模通信、智能識(shí)別、導(dǎo)航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為LTE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線開關(guān)和數(shù)字調(diào)諧電容器實(shí)現(xiàn)多頻帶技術(shù)。
以智能手機(jī)為主的移動(dòng)設(shè)備中，應(yīng)用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗(yàn)。這些傳感器并非手機(jī)等移動(dòng)/通信設(shè)備獨(dú)有，在本文以及后續(xù)文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)、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(tǒng)中，大量不同頻率的頻帶被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開頻率的產(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(jī)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(shù)能夠節(jié)省四分之三的空間。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒有運(yùn)動(dòng)部件，主要通過體積膨脹與收縮實(shí)現(xiàn)其功能。（另外一個(gè)非位移試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(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)，詳見后續(xù)開關(guān)專題）。
在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導(dǎo)體事業(yè)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)在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被運(yùn)用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR （Solidly Mounted Resonator）。
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(jié)構(gòu)，采用Bragg reflector布拉格反射層） （SAW/FBAR設(shè)備的工作原理及使用范例）
