MEMS是Micro Electro Mechanical Systems（微機(jī)電系統(tǒng)）的縮寫，具有微小的立體結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)），是處理各種輸入、輸出信號(hào)的系統(tǒng)的統(tǒng)稱。

是利用微細(xì)加工技術(shù)，將機(jī)械零零件、電子電路、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在一塊電路板上的高附加值元件。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。

微機(jī)電系統(tǒng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。

圖1 MEMS傳感器及局部顯微放大

資料來源：Vesper

圖2 MEMS傳感器工作原理

資料來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

圖3 MEMS傳感器分類

資料來源：賽迪顧問

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械技工技術(shù)工藝制造出來的微型傳感器，種類繁多，是使用最廣泛的MEMS產(chǎn)品，通過微傳感元件和傳輸單元把輸入的信號(hào)轉(zhuǎn)換并導(dǎo)出另一種可監(jiān)測(cè)信號(hào)。與傳統(tǒng)工藝制造的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。

根據(jù)應(yīng)用和地理位置的不同，MEMS可能用其他術(shù)語來指代，包括微機(jī)（日本），微系統(tǒng)（歐洲），微流體，芯片實(shí)驗(yàn)室，生物MEMS,RF MEMS和光學(xué)MEMS（或MOEMS）。

盡管以類似于半導(dǎo)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(jī)械功能，允許設(shè)備與其周圍環(huán)境相互作用。一些MEMS集成了運(yùn)動(dòng)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(xué)和光具座）。

微觀結(jié)構(gòu)最早是在1960年代提出的。1970年代帶來了幾項(xiàng)關(guān)鍵的進(jìn)展，包括第一個(gè)微處理器，批量蝕刻的硅片和第一個(gè)微加工的噴墨噴嘴。1982年，庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）吹捧硅的機(jī)械性能，稱其為一種高精度，高強(qiáng)度，高可靠性的機(jī)械材料，特別適用于必須將小型機(jī)械設(shè)備和部件與電子設(shè)備集成或接口的情況。 在1990年代，各種類型的MEMS迅速擴(kuò)展（包括第一個(gè)加速度計(jì)），并且不斷增長的MEMS設(shè)計(jì)和制造基礎(chǔ)設(shè)施將批量生產(chǎn)的設(shè)備推向了商業(yè)可行性。光學(xué)和生物MEMS出現(xiàn)于2000年代，如今，許多類別的MEMS出現(xiàn)了廣泛的擴(kuò)散。

MEMS的原理

把機(jī)械臂與電磁感應(yīng)圈做成一個(gè)吸引電級(jí)系統(tǒng)，通電后，電磁像磁鐵一樣把懸臂吸引過來，和傳輸線連上，這是開；斷電后，磁性消失，懸臂與傳輸線斷開，這是關(guān)。

典型的MEMS傳感器采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，該機(jī)械結(jié)構(gòu)可響應(yīng)機(jī)械或電氣刺激（壓力，運(yùn)動(dòng)，加速度，磁場(chǎng)等）而以受控方式運(yùn)動(dòng)。其中典型的技術(shù)是使用移動(dòng)來改變可變電容的極板之間的距離。

陀螺儀需要多個(gè)MEMS結(jié)構(gòu)來測(cè)量角運(yùn)動(dòng)

輸出可以采用多種形式：模擬電壓；輸出電壓；標(biāo)準(zhǔn)串行總線，例如SPI或I2C；或在汽車安全氣囊應(yīng)用中流行的專用協(xié)議（例如DSI或PSI5）；無線連接選項(xiàng)包括低功耗藍(lán)牙（BLE）。

微機(jī)電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)（半導(dǎo)體制造技術(shù)）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。

微機(jī)電系統(tǒng)是集微傳感器、微執(zhí)行器、微機(jī)械結(jié)構(gòu)、微電源微能源、信號(hào)處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是一項(xiàng)革命性的新技術(shù)，廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是一項(xiàng)關(guān)系到國家的科技發(fā)展、經(jīng)濟(jì)繁榮和國防安全的關(guān)鍵技術(shù)。

MEMS側(cè)重于超精密機(jī)械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機(jī)械學(xué)的各分支。

常見的產(chǎn)品包括MEMS加速度計(jì)、MEMS麥克風(fēng)、微馬達(dá)、微泵、微振子、MEMS光學(xué)傳感器、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器、MEMS氣體傳感器等等以及它們的集成產(chǎn)品。

MEMS陀螺儀通過利用科里奧利加速度來測(cè)量角旋轉(zhuǎn)，該加速度在質(zhì)量朝向和遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心移動(dòng)時(shí)在MEMS框架上產(chǎn)生力。陀螺儀有單軸，雙軸和三軸版本，適用于不同的應(yīng)用：例如，雙軸陀螺儀用于游戲和光學(xué)圖像穩(wěn)定，而三軸陀螺儀可滿足汽車遠(yuǎn)程信息處理和導(dǎo)航的需求。

加速度計(jì)還使用框架中的質(zhì)量來測(cè)量靜態(tài)加速度（即重力）和動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)，運(yùn)動(dòng)，傾斜，沖擊等）。歸入加速度計(jì)的設(shè)備包括傾角儀，震動(dòng)傳感器，腦震蕩傳感器，傾斜傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器。加速度計(jì)還具有不同的軸組合：在汽車碰撞傳感器中發(fā)現(xiàn)單軸設(shè)備，在機(jī)器人技術(shù)，振動(dòng)監(jiān)控和防篡改應(yīng)用中出現(xiàn)三維單元。

壓力傳感器通過其在MEMS結(jié)構(gòu)中引起的偏轉(zhuǎn)來測(cè)量壓力。有一些版本可以測(cè)量相對(duì)于大氣壓的壓力，也可以測(cè)量相對(duì)于真空密封室的絕對(duì)壓力。MEMS壓力傳感器還可以間接測(cè)量其他量，例如流體流量，高度和水位。

磁力計(jì)使用各種物理現(xiàn)象，例如霍爾效應(yīng)，測(cè)量磁場(chǎng)引起的機(jī)械效應(yīng)。

慣性測(cè)量單元（IMU）測(cè)量線性和通過組合三軸加速度計(jì)和陀螺儀成單個(gè)單元角加速度; IMU還可以包括磁力計(jì)和壓力傳感器，以提供有關(guān)設(shè)備三維方向和運(yùn)動(dòng)的信息：x,y和z軸上的加速度；俯仰，滾動(dòng)，偏航，高度等。應(yīng)用包括無人駕駛自動(dòng)駕駛汽車（UAV），機(jī)器人技術(shù)和工廠自動(dòng)化，航空電子設(shè)備，智能手機(jī)和平板電腦，虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲。

MEMS麥克風(fēng)通過測(cè)量聲波撞擊由可移動(dòng)膜片和固定背板組成的可變電容元件時(shí)的電容變化來工作。它們被廣泛用于空間受限的消費(fèi)類應(yīng)用，例如智能手機(jī)和平板電腦。

MEMS生物傳感器中，生物分子相互作用導(dǎo)致MEMS結(jié)構(gòu)中可測(cè)量的運(yùn)動(dòng)。例如，在結(jié)核?。═B）檢測(cè)中，涂有TB抗體的MEMS懸臂在將受感染的血液樣本置于其上時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

MEMS氣體傳感器通過測(cè)量在涂覆的傳感器的表面誘導(dǎo)的電阻變化來檢測(cè)氣體的存在。該傳感器可以檢測(cè)到低濃度的目標(biāo)氣體，典型響應(yīng)時(shí)間少于一秒。濕度傳感器被優(yōu)化以檢測(cè)水蒸汽。

RF MEMS開關(guān)將靜電驅(qū)動(dòng)的懸臂梁與單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器IC結(jié)合使用，以代替RF開關(guān)應(yīng)用中不可靠的笨重機(jī)電繼電器?？梢允褂枚喾N開關(guān)配置：例如，ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置，可以處理從DC到14GHz的信號(hào)。

MEMS光致動(dòng)器，例如德州儀器（TI）的數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD），使用MEMS技術(shù)形成了大量獨(dú)立控制的鏡面。每個(gè)反光鏡均可在電子控制下傾斜，以在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間切換。啟用時(shí)，像素將來自投影儀燈泡的光反射到透鏡中，使其顯得明亮。在關(guān)閉狀態(tài)下，光線會(huì)指向其他地方，從而使像素看起來很暗。

MEMS振蕩器包含一個(gè)諧振器，該諧振器在來自模擬驅(qū)動(dòng)器芯片的靜電激勵(lì)下振動(dòng)。MEMS振蕩器可以產(chǎn)生1Hz至數(shù)百M(fèi)Hz的頻率，具有出色的穩(wěn)定性，低功耗和高抗電磁干擾（EMI）能力。

MEMS器件特點(diǎn)

①和半導(dǎo)體電路相同，使用刻蝕、光刻等；

制造工藝，不需要組裝、調(diào)整；

②進(jìn)一步可以將機(jī)械可動(dòng)部、電子線路、傳感器等集成到一片硅板上；

③它很少占用地方，可以在一般的機(jī)器人到不了的狹窄場(chǎng)所或條件惡劣的地方使用；

④由于工作部件的質(zhì)量小，高速動(dòng)作可能；

⑤由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響?。?/span>

⑥它產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。

優(yōu)勢(shì)

經(jīng)濟(jì)利益：

1.大批量的并行制造過程；

2.系統(tǒng)級(jí)集成；

3.封裝集成；

4.與IC工藝兼容。

技術(shù)利益：

1.高精度；

2.重量輕，尺寸小；

3.高效能。

主要分類

傳感

傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機(jī)械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號(hào)的器件和系統(tǒng)。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學(xué)等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來將備受世界各國的重視。

生物

生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測(cè)芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅(qū)動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò)、樣品處理器、混合池、計(jì)量、增擴(kuò)器、反應(yīng)器、分離器以及檢測(cè)器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現(xiàn)樣品的進(jìn)樣、稀釋、加試劑、混合、增擴(kuò)、反應(yīng)、分離、檢測(cè)和后處理等分析全過程。它把傳統(tǒng)的分析實(shí)驗(yàn)室功能微縮在一個(gè)芯片上。生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點(diǎn)。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實(shí)時(shí)通信、連續(xù)檢測(cè)的特點(diǎn)。國際上生物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統(tǒng)帶來一場(chǎng)重大的革新。

光學(xué)

MEMS光學(xué)掃描儀

隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結(jié)合，即綜合微電子、微機(jī)械、光電子技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)新型光器件，稱為微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)。它能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學(xué)器件、光波導(dǎo)器件、半導(dǎo)體激光器件、光電檢測(cè)器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統(tǒng)。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動(dòng)和控制等特點(diǎn)。較成功的應(yīng)用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面:

一是基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，主要研究如何通過反射面的物理運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統(tǒng)，主要研究通過微鏡的物理運(yùn)動(dòng)來控制光路發(fā)生預(yù)期的改變，較成功的有光開關(guān)調(diào)制器、光濾波器及復(fù)用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強(qiáng)的高新技術(shù)，開展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開發(fā)。

射頻

射頻MEMS技術(shù)傳統(tǒng)上分為固定的和可動(dòng)的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機(jī)械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動(dòng)的MEMS器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。按技術(shù)層面又分為由微機(jī)械開關(guān)、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機(jī)、變波束雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)天線組成的應(yīng)用系統(tǒng)層面。

隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的逐步發(fā)展，MEMS所包含的內(nèi)容正在不斷增加，并變得更加豐富。世界著名信息技術(shù)期刊《IEEE論文集》在1998年的MEMS專輯中將MEMS的內(nèi)容歸納為：集成傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)。人們還把微機(jī)械、微結(jié)構(gòu)、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術(shù)包括微電子技術(shù)和微加工技術(shù)兩大部分。微電子技術(shù)的主要內(nèi)容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴(kuò)散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術(shù)的主要內(nèi)容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)、制作高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA技術(shù)等。利用微電子技術(shù)可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術(shù)很適合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應(yīng)室、微執(zhí)行器、微機(jī)械等，這就能充分發(fā)揮微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用MEMS技術(shù)大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛(wèi)星。

車載激光雷達(dá)掃描微鏡

要了解MEMS掃描微鏡（也叫MEMS振鏡或掃描芯片）在車載激光雷達(dá)中的應(yīng)用，還要從應(yīng)用比較廣泛的激光掃描投影MEMS微鏡說起。MEMS微鏡是一個(gè)硅結(jié)構(gòu)的微型機(jī)械裝置，采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造，是將微光反射鏡與MEMS驅(qū)動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。

MEMS微鏡芯片

MEMS微鏡采用平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)（x、y兩個(gè)方向）兩種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行掃描，可以實(shí)現(xiàn)非常高的掃描頻率?，F(xiàn)在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達(dá)到40kHz，相當(dāng)于一秒鐘掃描4萬次。

MEMS掃描微鏡在激光掃描投影中的應(yīng)用

采用MEMS微鏡的激光應(yīng)用涵蓋消費(fèi)電子、醫(yī)療、軍事國防、通信等領(lǐng)域，具體包括激光掃描、光通信、數(shù)字顯示、激光雷達(dá)、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機(jī)、光開關(guān)、激光微投影、汽車抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等。

MEMS微鏡的不同應(yīng)用

驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡掃描動(dòng)作有不同的方式，可以分為利用電荷間庫侖力作為驅(qū)動(dòng)力的靜電驅(qū)動(dòng)；以低電壓電流驅(qū)動(dòng)的電磁驅(qū)動(dòng)；利用材料對(duì)溫度敏感產(chǎn)生不同形變量引起鏡面扭轉(zhuǎn)的電熱驅(qū)動(dòng)；以及利用材料逆壓電效應(yīng)，通過外界電場(chǎng)產(chǎn)生微位移的壓電驅(qū)動(dòng)等幾類。

由于車載應(yīng)用需要較大的MEMS鏡面，鏡面厚度也需要相應(yīng)增加，導(dǎo)致微鏡掃描時(shí)的質(zhì)量增加，降低了MEMS振鏡抗振動(dòng)和沖擊的能力，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸斷裂的情況。如果采用新型電磁驅(qū)動(dòng)就可以使微鏡更大、更結(jié)實(shí)。

MEMS微鏡轉(zhuǎn)軸斷裂現(xiàn)象

通過不斷改進(jìn)，采用專利封裝技術(shù)的下磁鐵-掃描微鏡-上磁鐵的垂直三明治封裝結(jié)構(gòu)，相比側(cè)邊磁鐵結(jié)構(gòu)，作用在驅(qū)動(dòng)線圈上的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了8倍。在達(dá)到相同轉(zhuǎn)角情況下，微鏡有更大的驅(qū)動(dòng)力矩T，能夠驅(qū)動(dòng)的掃描軸更厚更寬，器件掃描頻率可以更高，器件抗振動(dòng)沖擊能力也更好。這樣，就為汽車應(yīng)用提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

垂直三明治驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

與機(jī)械式相比，MEMS的優(yōu)勢(shì)很多，如安裝簡單、體積更小、價(jià)格便宜，最有希望在乘用車上普及。機(jī)械式雷達(dá)是在一個(gè)臺(tái)子上面放激光探測(cè)器，64線需要64組激光器和探測(cè)器一一對(duì)應(yīng)，然后供電讓它轉(zhuǎn)起來，電源、信號(hào)要通過轉(zhuǎn)臺(tái)連到下面的電路，所以它是一個(gè)非常復(fù)雜的光學(xué)和電學(xué)系統(tǒng)，不利于大規(guī)模的量產(chǎn)。

激光雷達(dá)脈沖發(fā)射方式比較

MEMS激光雷達(dá)只需要一個(gè)激光器和MEMS微鏡組合就能實(shí)現(xiàn)激光脈沖的掃描，裝配起來很簡單。從成本考慮，由于采用半導(dǎo)體工藝，量大了成本也會(huì)很便宜。另外，從分辨率考慮，比如MEMS激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)64線，只需要MEMS微鏡把單個(gè)激光器發(fā)出的脈沖掃描成的點(diǎn)陣能組成64條線就可以了，所以非常容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，體積也非常小。未來MEMS激光雷達(dá)的成本有望控制在千元人民幣以內(nèi)。

MEMS激光雷達(dá)原理

MEMS微型泵

微型泵的最早且最廣為人知的用途是噴墨技術(shù)。一個(gè)空的空腔位于打印頭中每個(gè)噴嘴的后面。墨水流入空腔，當(dāng)被微小的加熱元件加熱時(shí)，墨水會(huì)從噴嘴噴到等待的紙張上。自動(dòng)化的藥物輸送系統(tǒng)通常也使用微型泵。

MEMS應(yīng)用

MEMS技術(shù)是一個(gè)新興技術(shù)領(lǐng)域，主要屬于微米技術(shù)范疇。MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了10多年時(shí)間，大都基于現(xiàn)有技術(shù)，用由大到小的技術(shù)途徑制作出來的，發(fā)展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術(shù)的發(fā)展有可能會(huì)像微電子一樣，對(duì)科學(xué)技術(shù)和人類生活產(chǎn)生革命性的影響，尤其對(duì)微小衛(wèi)星的發(fā)展影響更加深遠(yuǎn)，必將為大批量生產(chǎn)低成本高可靠性的微小衛(wèi)星打開大門。

MEMS的特點(diǎn)

MEMS系統(tǒng)器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量級(jí)，微小的尺寸不僅使得MEMS能夠工作在一些常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)無法介入的微小空間場(chǎng)合，而且意味著系統(tǒng)具有微小的質(zhì)量和消耗，微小的尺寸通常還為MEMS器件帶來更高的靈敏度和更好的動(dòng)態(tài)特性。80[%]以上的MEMS采用硅微工藝進(jìn)行制作，使其具有大批量生產(chǎn)模式，制造成本因而得以大大降低。在單一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)電集成也是MEMS獨(dú)有的特點(diǎn)。單片集成系統(tǒng)能夠避免雜合系統(tǒng)中有各種連接所帶來的電路寄生效應(yīng)，因此可達(dá)到更高的性能并更加可靠，單片集成有利于節(jié)約成本。組件裝配特別困難，目前許多MEMS都是設(shè)計(jì)成不需要裝配或者具有自裝配功能的系統(tǒng)。MEMS構(gòu)件的加工絕對(duì)誤差小，使用的材料也較為單一，三維加工能力明顯不足。

MEMS的應(yīng)用前景

MEMS技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，基于MEMS技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近20年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響。目前MEMS市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等。大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢(shì)，年平均增加率約為18[%]，因此對(duì)對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

MEMS傳感器發(fā)展歷程

MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變 形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。

第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。

第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長期看來將是MEMS一個(gè)增長強(qiáng)勁的領(lǐng)域。

推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的‘片上實(shí)驗(yàn)室’生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件。

近來對(duì)MEMS關(guān)注的提高部分來自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層（結(jié)構(gòu)制作時(shí)使其它層分開的材料）在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動(dòng)諧振結(jié)構(gòu)。

很多MEMS應(yīng)用要求與傳統(tǒng)的電子制造不同，如包含更多步驟、背面工藝、特殊金屬和非常奇特的材料以及晶圓鍵合等等。確實(shí)，許多場(chǎng)合尤其是在生物和醫(yī)療領(lǐng)域，都不把硅片作為基底使用，很多地方選用玻璃和塑料，出于降低成本原因經(jīng)常用塑料制成一次性醫(yī)療器械。

但對(duì)眾多公司和研究機(jī)構(gòu)來說，微電子中現(xiàn)有的CMOS、SiGe和GaAs等工藝是開發(fā)MEMS的出發(fā)點(diǎn)。從理論上講，將電路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整個(gè)電路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封裝成本。

提高集成度的一個(gè)主要途徑是通過表面微加工方法，在微電子裸片頂部的保留區(qū)域進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)后處理。但是必須考慮溫度對(duì)前面已制造完成的微電子部分的破壞，所以對(duì)單片集成來講，在低溫下進(jìn)行MEMS制造是一個(gè)關(guān)鍵。

多年來人們一直在討論CMOS和MEMS集成的問題，但目前唯一批量生產(chǎn)的集成工藝只有美國模擬器件公司（ADI）的ADXL-50加 速器。同樣的功能摩托羅拉要用兩個(gè)芯片完成，其中一個(gè)是MEMS，另一個(gè)是封裝好的集成微電子器件。

這些爭論經(jīng)常在微電子業(yè)中提起。值得注意的是模擬和混合信號(hào)在微電子中常常放于不同的裸片上作為電路集成到一個(gè)封裝里，同樣，智能功率電子經(jīng)常 采用多芯片解決方案實(shí)現(xiàn)，盡管其他人極力吹捧智能功率工藝技術(shù)的好處。此外贊成與反對(duì)將機(jī)械結(jié)構(gòu)和大量電子裝置集成在一起的理由也都非常復(fù)雜。

這主要是因?yàn)槲㈦娮拥臉?biāo)準(zhǔn)封裝開發(fā)很快，引腳數(shù)和連接方法的變化在本質(zhì)上也是標(biāo)準(zhǔn)的。而MEMS則不同，其環(huán)境參數(shù)各種各樣，某些封裝不能透光而另一些必須讓光照到芯片表面，某些封裝必須在芯片上方或后面保持真空，而另一些則要在芯片周圍送入氣體或液體。

人們認(rèn)識(shí)到不可能給各種MEMS應(yīng)用開發(fā)一種標(biāo)準(zhǔn)封裝，但也非常需要業(yè)界對(duì)每種應(yīng)用確定一種標(biāo)準(zhǔn)封裝及其發(fā)展方向。如果能使用標(biāo)準(zhǔn)工藝，即使是改進(jìn)的最基本IC工藝也有很多優(yōu)點(diǎn)，因此硅片MEMS、MOEMS（微光機(jī)電系統(tǒng)）和常規(guī)IC制造之間的區(qū)別只是程度不同。

對(duì)于能負(fù)擔(dān)深亞微米CMOS工藝技術(shù)研究的大型芯片制造商來說，MEMS的吸引力在于能使舊的工藝技術(shù)和經(jīng)多年制造已攤銷完了的晶圓廠產(chǎn)生更多利潤。換言之，微電子領(lǐng)域快淘汰的工藝在硅片MEMS制造中可以成為領(lǐng)先技術(shù)。

通過幾個(gè)‘錨點(diǎn)’（anchor point）將硅片結(jié)構(gòu)焊接在基底上，但可以在與基底本身平行的平面上自由移動(dòng)。為了與傳統(tǒng)塑封技術(shù)兼容，在傳感元件上部放置一個(gè)封帽以避免成型時(shí)對(duì)移動(dòng)部件造成污染。

微驅(qū)動(dòng)部件也使用類似的工藝，但沒有封帽，而是增加一個(gè)靈活的鈍化層。Onix在微鏡部件上則使用第三種工藝，這是因?yàn)門helma的多晶硅沒有制造鏡面拋光的單晶硅好。

MEMS當(dāng)作一門截然不同的工程學(xué)科來對(duì)待。但是不要指望MEMS會(huì)像微電子在20世紀(jì)60和70年代那樣突然興旺起來，MEMS領(lǐng)域仍然變化多端且困難重重。MEMS是微電子加微機(jī)械， 在所有工業(yè)領(lǐng)域具有上百種應(yīng)用。從這點(diǎn)來看可以期望MEMS市場(chǎng)的長期發(fā)展會(huì)比‘純粹的’微電子要好，隨著代工服務(wù)的發(fā)展，工程師將越來越多地使他們的設(shè) 計(jì)適應(yīng)工藝技術(shù)。也許MEMS現(xiàn)在能起飛最重要的原因是微機(jī)械分析的復(fù)雜性隨著千兆赫茲處理器的出現(xiàn)在工程師桌面就能解決，留下的一個(gè)問題將是MEMS技術(shù)有無足夠的時(shí)間 在其享受勝利果實(shí)之前把‘納米技術(shù)’遠(yuǎn)遠(yuǎn)拋在后面。

MEMS發(fā)展歷程核心事件

1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明鍺晶體管(William Shockley)1954年，鍺和硅的壓阻效應(yīng)(C.S.Smith)1958年，第一塊集成電路(IC)(J.S.Kilby 1958年/Robert Noyce 1959年)1959年，"底部有很多空間"(R.Feynman)1959年，展示了第一個(gè)硅壓力傳感器(Kulite)1967年，各向異性深硅蝕刻(H.A.Waggener等)1968年，諧振門晶體管獲得專利(表面微加工工藝)(H.Nathanson等)1970年，批量蝕刻硅片用作壓力傳感器(批量微加工工藝)1971年，發(fā)明微處理器1979年，惠普微加工噴墨噴嘴1982年，"作為結(jié)構(gòu)材料的硅"(K.Petersen)1982年，LIGA進(jìn)程(德國KfK)1982年，一次性血壓傳感器(霍尼韋爾)1983年，一體化壓力傳感器(霍尼韋爾)1983年，"Infinitesimal Machinery"，R.Feynman。1985年，傳感器或碰撞傳感器(安全氣囊)1985年，發(fā)現(xiàn)"Buckyball"1986年，發(fā)明原子力顯微鏡1986年，硅片鍵合(M.Shimbo)1988年，通過晶圓鍵合批量制造壓力傳感器(Nova傳感器)1988年，旋轉(zhuǎn)式靜電側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(Fan、Tai、Muller)1991，年多晶硅鉸鏈(Pister、Judy、Burgett、Fearing)。1991年，發(fā)現(xiàn)碳納米管1992年，光柵光調(diào)制器(Solgaard、Sandejas、Bloom)1992年，批量微機(jī)械加工(SCREAM工藝，康奈爾)1993年，數(shù)字鏡像顯示器(德州儀器)1993年，MCNC創(chuàng)建MUMPS代工服務(wù)1993年，首個(gè)大批量生產(chǎn)的表面微加工加速度計(jì)(Analog Devices)1994年，博世深層反應(yīng)離子蝕刻工藝獲得專利1996年，Richard Smalley開發(fā)了一種生產(chǎn)直徑均勻的碳納米管的技術(shù)1999年，光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(朗訊)2000年代，光學(xué)MEMS熱潮2000年代，BioMEMS激增2000年代，MEMS設(shè)備和應(yīng)用的數(shù)量不斷增加。2000年代，NEMS應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展

MEMS的相關(guān)技術(shù)

1、微系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)主要是微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫、有限元和邊界分析、CAD/CAM仿真和模擬技術(shù)、微系統(tǒng)建模等，還有微小型化的尺寸效應(yīng)和微小型理論基礎(chǔ)研究等課題，如：力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理、熱傳導(dǎo)、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件材料性能等。

2微細(xì)加工技術(shù)主要指高深度比多層微結(jié)構(gòu)的硅表面加工和體加工技術(shù)，利用X射線光刻、電鑄的LIGA和利用紫外線的準(zhǔn)LIGA加工技術(shù)；微結(jié)構(gòu)特種精密加工技術(shù)包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)；多種加工方法的結(jié)合；微系統(tǒng)的集成技術(shù)；微細(xì)加工新工藝探索等。

3微型機(jī)械組裝和封裝技術(shù)主要指粘接材料的粘接、硅玻璃靜電封接、硅硅鍵合技術(shù)和自對(duì)準(zhǔn)組裝技術(shù)，具有三維可動(dòng)部件的封裝技術(shù)、真空封裝技術(shù)等新封裝技術(shù)。

4微系統(tǒng)的表征和測(cè)試技術(shù)主要有結(jié)構(gòu)材料特性測(cè)試技術(shù)，微小力學(xué)、電學(xué)等物理量的測(cè)量技術(shù)，微型器件和微型系統(tǒng)性能的表征和測(cè)試技術(shù)，微型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試技術(shù)，微型器件和微型系統(tǒng)可靠性的測(cè)量與評(píng)價(jià)技術(shù)。

目前，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種。

第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)器制造小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造微機(jī)器的方法。

第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對(duì)硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。

第三種是以德國為代表的LIGA(即光刻、電鑄和塑鑄)技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。

上述第二種方法與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成，而且適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。LIGA技術(shù)可用來加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，并可用來制做深寬比大的精細(xì)結(jié)構(gòu)(加工深度可以達(dá)到幾百微米)，因此也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù)。LIGA技術(shù)自八十年代中期由德國開發(fā)出來以后得到了迅速發(fā)展，人們已利用該技術(shù)開發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達(dá)、微加速度計(jì)、微射流計(jì)等。第一種加工方法可以用于加工一些在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的微機(jī)械裝置，如微型機(jī)器人、微型手術(shù)臺(tái)等。下面主要介紹LIGA和硅MEMS技術(shù)。

LIGA技術(shù)：LIGA技術(shù)是將深度X射線光刻、微電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)相結(jié)合的一種綜合性加工技術(shù)，它是進(jìn)行非硅材料三維立體微細(xì)加工的首選工藝。LIGA技術(shù)制作各種微圖形的過程主要由兩步關(guān)鍵工藝組成，即首先利用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形，然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具，再利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu)。

LIGA技術(shù)為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬、塑料和陶瓷零件組成的三維微機(jī)電系統(tǒng)，而用它制造的器件結(jié)構(gòu)具有深寬比大、結(jié)構(gòu)精細(xì)、側(cè)壁陡峭、表面光滑等特點(diǎn)，這些都是其它微加工工藝很難達(dá)到的。

硅基MEMS技術(shù)：以硅為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工工藝也分為多種，傳統(tǒng)上往往將其歸納為兩大類，即體硅加工工藝和表面硅加工工藝。前者一般是對(duì)體硅進(jìn)行三維加工，以襯底單晶硅片作為機(jī)械結(jié)構(gòu)；后者則利用與普通集成電路工藝相似的平面加工手段，以硅(單晶或多晶)薄膜作為機(jī)械結(jié)構(gòu)。

在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中，最關(guān)鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等。各向異性腐蝕技術(shù)是體硅微機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)。濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。常用的進(jìn)行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等，EPW和KOH對(duì)濃硼摻雜硅的腐蝕速率很慢，因此可以利用各向異性腐蝕和濃度選擇腐蝕的特點(diǎn)將硅片加工成所需要的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。利用化學(xué)腐蝕得到的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度可以達(dá)到整個(gè)硅片的厚度，具有較高的機(jī)械靈敏度，但該方法與集成電路工藝不兼容，難以與集成電路進(jìn)行集成，且存在難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點(diǎn)。為了克服濕法化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，采用干法等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)成為微機(jī)械加工技術(shù)的主流。

隨著集成電路工藝的發(fā)展，干法刻蝕深寬比大的硅槽已不再是難題。例如采用感應(yīng)耦合等離子體、高密度等離子體刻蝕設(shè)備等都可以得到比較理想的深寬比大的硅槽。鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工的直接手段，卻在微機(jī)械加工中有著重要的地位。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接。

在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù)，如硅化物鍵合、有機(jī)物鍵合等。表面犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械技術(shù)的主要工藝，其基本思路為：首先在襯底上淀積犧牲層材料，并利用光刻、刻蝕形成一定的圖形，然后淀積作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形，最后再將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉，這樣就形成了懸浮的可動(dòng)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。常用的結(jié)構(gòu)材料有多晶硅、單晶硅、氮化硅、氧化硅和金屬等，常用的犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻膠等。

MEMS的發(fā)展趨勢(shì)

1研究方向多樣化和縱深化MEMS技術(shù)的研究日益多樣化，MEMS技術(shù)涉及軍事、民用等各個(gè)領(lǐng)域。從研究深度上來說，MEMS的發(fā)展規(guī)律是產(chǎn)生比傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)更高級(jí)的產(chǎn)品。例如微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）就是微機(jī)電系統(tǒng)與光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，有希望解決全光交換機(jī)的光通信瓶頸。目前開展的MOEMS項(xiàng)目主要有：可調(diào)諧光器件——利用MOEMS技術(shù)可制造出可動(dòng)腔鏡，獲得很大的調(diào)諧范圍，與半導(dǎo)體激光器集成成為可調(diào)諧激光源；光可變衰減器和光調(diào)制器——MOEMS通過微檔板插入光纖間隙的深度控制兩光纖的耦合程度，實(shí)現(xiàn)可變光衰減；光開關(guān)和光開關(guān)陣列——MOEMS將機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、微觸動(dòng)器、微光學(xué)元件集成在同一襯底上，具有操縱方便、插入損耗小、串音干擾低等特點(diǎn)。MOEMS的目標(biāo)是制成全光功能模塊和系統(tǒng)，如全光終端機(jī)、全光交換機(jī)等。

2加工工藝多樣化加工工藝有傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結(jié)合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等，具體的加工手段更是多種多樣。

3系統(tǒng)的進(jìn)一步集成化和多功能化集成化、智能化和多功能化的微系統(tǒng)將有最好的性能，在軍事、醫(yī)學(xué)和生物研究、核電等領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。4.4MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于：MEMS器件芯片一般都有活動(dòng)部件，比較脆弱，在封裝前不利于運(yùn)輸。所以，MEMS器件芯片制造與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮。

5普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途MEMS器件并存以加速計(jì)為例，既有大量的只要求精度為0.5g以上的，可廣泛運(yùn)用于汽車安全氣囊等具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的加速度計(jì)，也有要求精度為10-8的，可應(yīng)用于航空、航天等高科技領(lǐng)域的加速度計(jì)。

MEMS工藝

MEMS工藝以成膜工序、光刻工序、蝕刻工序等常規(guī)半導(dǎo)體工藝流程為基礎(chǔ)。

下面介紹MEMS工藝的部分關(guān)鍵技術(shù)。

晶圓

SOI晶圓

SOI是Silicon On Insulator的縮寫，是指在氧化膜上形成了單晶硅層的硅晶圓。已廣泛應(yīng)用于功率元件和MEMS等，在MEMS中可以使用氧化膜層作為硅蝕刻的阻擋層，因此能夠形成復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。

TAIKO磨削 　TAIKO是DISCO株式會(huì)社的商標(biāo)

TAIKO磨削是DISCO公司開發(fā)的技術(shù)，在磨削晶圓時(shí)保留最外圍的邊緣，只對(duì)其內(nèi)側(cè)進(jìn)行磨削。

TAIKO磨削與通常的磨削相比，具有晶圓曲翹減少、晶圓強(qiáng)度更高、處理容易、與其他工藝的整合性更高等優(yōu)點(diǎn)。

晶圓粘合/熱剝離片工藝

通過使用支撐晶圓和熱剝離片，可以輕松對(duì)薄化晶圓進(jìn)行處理等。

晶圓鍵合

晶圓鍵合大致分為直接鍵合、通過中間層鍵合2類。

直接鍵合不使用粘合劑等，是利用熱處理產(chǎn)生的分子間力使晶圓相互粘合的鍵合，用于制作SOI晶圓等。通過中間層鍵合是借助粘合劑等使晶圓互相粘合的鍵合方法。

蝕刻

各向同性蝕刻與各向異性蝕刻

通過在低真空中放電使等離子體產(chǎn)生離子等粒子，利用該粒子進(jìn)行蝕刻的技術(shù)稱為反應(yīng)離子蝕刻。

等離子體中混合存在著攜帶電荷的離子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蝕刻、利用離子的各向異性蝕刻兩種蝕刻作用。

硅深度蝕刻

集各向異性蝕刻和各向同性蝕刻的優(yōu)點(diǎn)于一身的博世工藝技術(shù)已經(jīng)成為了硅深度蝕刻的主流技術(shù)。

通過重復(fù)進(jìn)行Si蝕刻?聚合物沉積?底面聚合物去除，可以進(jìn)行縱向的深度蝕刻。側(cè)壁的凹凸因形似扇貝，稱為扇貝形貌。

成膜

ALD（原子層沉積）ALD是Atomic Layer Deposition（原子層沉積）的縮寫，是通過重復(fù)進(jìn)行材料供應(yīng)（前體）和排氣，利用與基板之間的表面反應(yīng)，分步逐層沉積原子的成膜方式。通過采用這種方式，只要有成膜材料可以通過的縫隙，就能以納米等級(jí)的膜厚控制，在小孔側(cè)壁和深孔底部等部位成膜，在深度蝕刻時(shí)的聚合物沉積等MEMS加工中形成均勻的成膜。

主流CVD MEMS加工技術(shù)

CVD 加工工藝是制作微傳感器、微執(zhí)行器 和MEMS加工的主流技術(shù) ,是近年來隨著集成電路工藝 發(fā)展起來的 ,它是離子束、電子束、分子束、激光束和 化學(xué)刻蝕等用于微電子加工的技術(shù) ,目前越來越多 地用于 MEMS 的加工中 ,例如濺射、蒸鍍、等離子體 刻蝕、化學(xué)氣體淀積、外延、擴(kuò)散、腐蝕、光刻等。在以硅為基礎(chǔ)的 MEMS 加工工藝中 ,主要的加工工藝 有腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴(kuò)散、濺射等。

MEMS生產(chǎn)中的薄膜指通過蒸鍍、濺射、沉積等工藝將所需物質(zhì)鋪蓋在基片的表層，根據(jù)其過程的氣相變化特性，可分為PVD與CVD兩大類。

電子束蒸鍍利用電磁場(chǎng)的配合可以精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)利用高能電子轟擊坩堝內(nèi)膜材，使膜材表面原子蒸發(fā)進(jìn)而沉積在基片上；以FATRI UTC電子束蒸鍍機(jī)在MEMS制造過程的功用來說，其主要用來蒸鍍Pt、Ni、Au等。

而磁控濺射是在高真空(10-5Torr)的環(huán)境下，導(dǎo)入惰性氣體（通常是Ar）并在電極兩端加上高電壓、產(chǎn)生輝光放電(Glow discharge)。Ar原子被電離成Ar+和電子。在電場(chǎng)作用下Ar+加速飛向靶材(target)，與靶材發(fā)生碰撞，濺射出大量的靶材原子，靶材原子沉積在基片上。在FATRI UTC 的MEMS 生產(chǎn)過程中，其可濺射Al、C0、Fe、的合金等。

CVD工藝又可細(xì)分APCVD，LPCVD及PECVD；在MEMS制造中我們通常使用PECVD機(jī)臺(tái)(見下圖)來制造SiO2、Si3N4 或 SiC。其工藝是在較低的溫度下借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。

MEMS市場(chǎng)常見產(chǎn)品與應(yīng)用

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. 從硅原料到硅片過程。硅片上的重復(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（MEMS & IC）均集成于一個(gè)單芯片中。這些器件的滿量程加速度測(cè)量范圍為±1.7 g，既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)），也可以測(cè)量靜態(tài)加速度（例如重力）。

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)

圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

1、通信/移動(dòng)設(shè)備

圖7. 智能手機(jī)簡化示意圖

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 BMP280）、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)元素、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（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍(lán)牙，wifi等等不同技術(shù)使用不同的通信頻率）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)。其原理主要通過固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

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(jié)構(gòu)，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(dòng)幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射，從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。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(dá)到完美反射，因此部分能量向下泄露。

實(shí)物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設(shè)計(jì)成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導(dǎo)致的諧振，如果水平方向有諧振則會(huì)形成雜波。

上圖所示為消除雜波前后等效導(dǎo)納（即阻抗倒數(shù)，或者簡單理解為電阻值倒數(shù)）。消除雜波后其特性曲線更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內(nèi)的紋波更小。

圖示為若干FBAR連接起來形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對(duì)比，該濾波器比米粒還要小上許多。

2、可穿戴/植入式領(lǐng)域

圖10. 用戶與物聯(lián)網(wǎng)

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達(dá)不到大型外置儀器的水平）直接向用戶提供信息。可穿戴/應(yīng)該說是最受用戶關(guān)注，最感興趣的話題了。

大部分用戶對(duì)汽車、打印機(jī)內(nèi)的MEMS無感，這些器件與用戶中間經(jīng)過了數(shù)層中介。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(huán)。

該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費(fèi)、健康及工業(yè)，我們?cè)诖酥饕懻摳荜P(guān)注的前兩者。消費(fèi)領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫(yī)療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監(jiān)測(cè)和護(hù)理。

比如助聽、指標(biāo)檢測(cè)（如血壓、血糖水平），體態(tài)監(jiān)測(cè)。MEMS幾乎可以實(shí)現(xiàn)人體所有感官功能，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電子鼻）、觸覺等，各類健康指標(biāo)可通過結(jié)合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MEMS的采樣精度，速度，適用性都可以達(dá)到較高水平，同時(shí)由于其體積優(yōu)勢(shì)可直接植入人體，是醫(yī)療輔助設(shè)備中關(guān)鍵的組成部分。

傳統(tǒng)大型醫(yī)療器械優(yōu)勢(shì)明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺(tái)設(shè)備只完成單一功能。相比之下，某些醫(yī)療目標(biāo)可以通過MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)勢(shì)，深入接觸測(cè)量目標(biāo)，在達(dá)到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。

以近期所了解的一些MEMS項(xiàng)目為例，通過MEMS傳感器對(duì)體內(nèi)某些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)MEMS執(zhí)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(tǒng)可以通過MEMS能量收集器進(jìn)行無線供電，多組單元可以通過MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。

個(gè)人認(rèn)為，MEMS醫(yī)療前景廣闊，不過離成熟運(yùn)用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。

圖11. MEMS實(shí)現(xiàn)人體感官功能

可穿戴設(shè)備中最著名，流行的便數(shù)蘋果手表了，其實(shí)蘋果手表和蘋果手表結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲(chǔ)單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對(duì)此不在贅敘。

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(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過改變外部激勵(lì)從而控制同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線向特定角度反射。

大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過許多方式實(shí)現(xiàn)，一種簡單的方式便是通過加熱使其熱膨脹，當(dāng)不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅(qū)動(dòng)方式，即通入電來產(chǎn)生靜電力來傾斜微鏡。

圖13 微鏡的SEM示意圖

圖14 微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

德州儀器的數(shù)字微鏡器件(DMD)，廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)。灰度圖像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。

顏色通過使用三芯片方案(每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片)，或通過一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。

TI有一個(gè)非常非常具體生動(dòng)的視頻介紹該產(chǎn)品，你可以在這個(gè)視頻中看到整個(gè)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(jì)

加速度傳感器是最早廣泛應(yīng)用的MEMS之一。MEMS，作為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的技術(shù)，可以通過設(shè)計(jì)使一個(gè)部件(圖15中橙色部件)相對(duì)底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個(gè)部件稱為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。

綠色部分固定在底座。當(dāng)感應(yīng)到加速度時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)底座產(chǎn)生位移。通過一些換能技術(shù)可以將位移轉(zhuǎn)換為電能，如果采用電容式傳感結(jié)構(gòu)（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號(hào)供其信號(hào)處理單元采樣。通過梳齒結(jié)構(gòu)可以極大地?cái)U(kuò)大傳感面積，提高測(cè)量精度，降低信號(hào)處理難度。加速度計(jì)還可以通過壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現(xiàn)。

圖15 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

圖16 MEMS加速度計(jì)中位移與電容變化示意圖

汽車碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對(duì)位移，信號(hào)處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號(hào)，觸發(fā)氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

圖17. 汽車碰撞后加速度計(jì)的輸出變化。

實(shí)物圖，比例尺為20微米，即20/1000毫米。

5、打印噴嘴

一種設(shè)計(jì)精巧的打印噴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過程為：1，左側(cè)加熱元件小于右側(cè)加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側(cè)產(chǎn)生更多熱量，形成更大氣泡。左側(cè)氣泡首先擴(kuò)大，從而隔絕左右側(cè)液體，保持右側(cè)液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂，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生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品

另一種類型MEMS打印噴頭，也是通過加熱，氣泡擴(kuò)大將墨水?dāng)D出：

MEMS噴頭nozzle及加熱器heater實(shí)物圖:

還有一種類型是通過壓電薄膜震動(dòng)來擠壓墨水出來：

6、開關(guān)/繼電器

MEMS繼電器與開關(guān)。其優(yōu)勢(shì)是體積小（密度高，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統(tǒng)電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。

其尺寸微小，接近于固態(tài)開關(guān)，而電路通斷采用與機(jī)械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)基本上介于固態(tài)開關(guān)與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)之間。MEMS繼電器與開關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁，主要采用靜電致動(dòng)原理，當(dāng)提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí)，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至總行程的1/3時(shí)，開關(guān)將自動(dòng)吸合（稱之為pull in現(xiàn)象）。pull in現(xiàn)象在宏觀世界同樣存在，但是通過計(jì)算可以得知所需的閾值電壓高得離譜，所以我們?nèi)粘Ｖ袔缀醪粫?huì)看到。

圖20. MEMS開關(guān)斷合示意圖

再貼上幾張實(shí)物圖片，與示意圖并非完全一致，但是原理類似，都是控制著一個(gè)間隙gap接觸與否：

生物類實(shí)驗(yàn)

MEMS器件由于其尺寸接近生物細(xì)胞，因此可以直接對(duì)其進(jìn)行操作。

圖21. MEMS操作細(xì)胞示意圖

7、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(cè)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?(表面效應(yīng))，且具有利用量子效應(yīng)探索新型測(cè)量手段的潛力。

首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示, 如圖22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23），‘寫入’時(shí)通過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(jī)械寫入技術(shù)示意圖