一、什么是MEMS?
常規(guī)全尺寸機械和電氣組件的微觀版本正在制造中，并組合成微小的包裝，從而使智能手機，可穿戴電子設備和汽車能夠完成出色的工作。這就是微機電系統(tǒng)（MEMS）的世界。
MEMS陀螺儀
根據應用和地理位置的不同，MEMS可能用其他術語來指代，包括微機（日本），微系統(tǒng)（歐洲），微流體，芯片實驗室，生物MEMS,RF MEMS和光學MEMS（或MOEMS）。
盡管以類似于半導體或集成電路的方式制造，但MEMS的不同之處在于它們具有某種機械功能，允許設備與其周圍環(huán)境相互作用。一些MEMS集成了運動部件（例如懸臂，彈簧或壓敏膜片），而其他則沒有（RF濾波器，BAW濾波器，光子學和光具座）。
微觀結構最早是在1960年代提出的。1970年代帶來了幾項關鍵的進展，包括第一個微處理器，批量蝕刻的硅片和第一個微加工的噴墨噴嘴。1982年，庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）吹捧硅的機械性能，稱其為一種高精度，高強度，高可靠性的機械材料，特別適用于必須將小型機械設備和部件與電子設備集成或接口的情況。 在1990年代，各種類型的MEMS迅速擴展（包括第一個加速度計），并且不斷增長的MEMS設計和制造基礎設施將批量生產的設備推向了商業(yè)可行性。光學和生物MEMS出現于2000年代，如今，許多類別的MEMS出現了廣泛的擴散。
二、MEMS應用
MEMS具有廣泛的功能，包括在光學，音頻，無線電，流體學和其他物理現象等領域用作傳感器，致動器，開關和能源。
一些更常見和引人注目的用途是：
慣性傳感器
慣性傳感器包括單獨使用或組合使用的加速度計和陀螺儀。加速度計通常使用彈簧上的質量來檢測慣性力，從而測量直線加速度。陀螺儀檢測旋轉或角度變化。MEMS陀螺儀通常使用成對的物體，像音叉一樣振動：當振動的物體旋轉時，由于科里奧利效應，當質量從平面移出時，會產生可測量的力。大量的慣性傳感器可作為安全氣囊和主動安全帶的觸發(fā)器，為汽車安全提供支持。還發(fā)現慣性傳感器可檢測智能手機，慣性導航系統(tǒng)和車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)中的運動和方向。
壓力傳感器
MEMS壓力傳感器將硅薄膜一側的氣體或液體壓力與另一側的設定參考壓力或環(huán)境壓力進行比較。有幾種不同的壓力傳感器技術，如壓阻式、電容式和感應式。例如，壓阻式壓力傳感器檢測由壓力差引起的應變，該壓力差導致隔膜材料的電阻發(fā)生可測量的變化。這些技術為各種應用提供了選擇，包括汽車（發(fā)動機性能控制、胎壓監(jiān)測）、醫(yī)療設備（血壓和呼吸監(jiān)測）和無人機（高度計）。
磁傳感器
磁傳感器（或磁力計）使用洛倫茲力確定磁場的強度和方向，洛倫茲力在回路電流通過磁場時會感覺到。該力使環(huán)彎曲成與電場強度成比例，并且可以通過電子或光學方式檢測這些運動。MEMS磁傳感器用于電子羅盤，車輛（防抱死制動，巡航控制）和安全系統(tǒng)等領域。
微鏡
MEMS微鏡由位于樞軸上的微鏡組成。反射鏡通常設置成陣列，其中中心到中心的間距可以小到五到十微米。使用電磁或靜電致動，通?？梢源蜷_或關閉（將光反射到散熱器上）每個反射鏡的位置（允許光流出到某個目的地）?？梢酝ㄟ^使反光鏡顫動來改變打開位置所花費的時間，從而達到中等亮度。微鏡是遍布全國許多會議室和數字電影院的數字投影儀的關鍵。MEMS反射鏡還用于激光束轉向（例如，在LiDAR中）和光纖通信中的開關。
微型泵
微型泵的最早且最廣為人知的用途是噴墨技術。一個空的空腔位于打印頭中每個噴嘴的后面。墨水流入空腔，當被微小的加熱元件加熱時，墨水會從噴嘴噴到等待的紙張上。自動化的藥物輸送系統(tǒng)通常也使用微型泵。
MEMS應用
三、MEMS的制造方式
MEMS器件和集成電路（IC）芯片是通過類似的過程制造的。兩者都始于基礎襯底晶圓（通常是硅或玻璃），然后通過后續(xù)步驟進行構建和雕刻：
通過沉積添加材料層，
通過掩模和光刻對表面進行圖案化，以及
通過蝕刻減去不需要的部分。
MEMS工藝與IC有四個關鍵方面的區(qū)別：
首先，MEMS采用了更多種沉積材料，例如壓電材料（例如鉭酸鋰，鈮酸鋰和PZT）和貴金屬電極層（例如金和銀）。
其次，要產生復雜的三維結構，MEMS制造需要更廣泛的處理步驟，包括深反應離子刻蝕（導致接近垂直的側壁），晶圓級封裝以及沉積可能小于一微米厚。
第三，MEMS微結構的成形既發(fā)生在沉積層內又發(fā)生在基板內。
第四，對于MEMS工藝，物理世界中的測試與數字世界中的測試一樣多。大多數IC芯片只需要接收電流即可確定其數字輸出通過還是失敗。另一方面，使MEMS感測物理參數或與物理參數相互作用。因此，MEMS的測試協(xié)議比IC芯片的測試協(xié)議更加復雜。加速度計和陀螺儀必須移動，微鏡必須在光源下致動，并且壓力傳感器需要施加物理壓力。
四、MEMS的優(yōu)勢
不管制造和測試的復雜性如何，MEMS相對于其較大的宏觀等效物都具有若干關鍵優(yōu)勢。
尺寸是最明顯的好處。MEMS可以安裝在全尺寸組件無法安裝的位置。沒有這些微型機器，智能手機和電子可穿戴設備就不會成為日常生活中必不可少的部分。自動駕駛汽車將充滿大量傳感器。某些現代工具和產品將根本不存在。
MEMS 速度很快。組件之間的電氣距離很短，縮短了響應時間。很小的運動部件行進的距離更短，并且可以獲得更高的頻率。
MEMS所產生的性能和精度水平是傳統(tǒng)全尺寸組件所無法達到的（例如，損耗大大降低，靈敏度調整為更小數量）。
由于功耗僅是傳統(tǒng)組件的一小部分，因此對便攜式產品電池的需求就大大減少了。
MEMS具有很高的可靠性。硅材料可以承受很少的疲勞而反復彎曲，并且在不可思議的循環(huán)次數下可以提供非常長的使用壽命。
盡管前期研究，設計和設置成本可能很高，但使用類似于IC行業(yè)的批處理技術可擴展的批量生產導致MEMS 的單位成本非常低。
結語
MEMS已在當今的工業(yè)和電子世界中站穩(wěn)了腳跟，并準備在明天的創(chuàng)新中扮演更加重要的角色。這些微型組件可在更廣泛的應用程序中發(fā)揮廣泛的功能。它們的尺寸，速度，可靠性和低成本提供了巨大的價值，而5G通信，IoT傳感，生物芯片和自動駕駛汽車等領域的革命將確保在可預見的未來實現指數級增長。
作者：史蒂夫
—— END ——
? 往期精選
戳閱讀原文我們一起進步！
