一、什么是MEMS?
常規(guī)全尺寸機(jī)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(jī)，可穿戴電子設(shè)備和汽車能夠完成出色的工作。這就是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的世界。
MEMS陀螺儀
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。
二、MEMS應(yīng)用
MEMS具有廣泛的功能，包括在光學(xué)，音頻，無線電，流體學(xué)和其他物理現(xiàn)象等領(lǐng)域用作傳感器，致動器，開關(guān)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(dú)使用或組合使用的加速度計(jì)和陀螺儀。加速度計(jì)通常使用彈簧上的質(zhì)量來檢測慣性力，從而測量直線加速度。陀螺儀檢測旋轉(zhuǎn)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(dāng)振動的物體旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于科里奧利效應(yīng)，當(dāng)質(zhì)量從平面移出時(shí)，會產(chǎn)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(xiàn)慣性傳感器可檢測智能手機(jī)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和車輛穩(wěn)定性控制系統(tǒng)中的運(yùn)動和方向。
壓力傳感器
MEMS壓力傳感器將硅薄膜一側(cè)的氣體或液體壓力與另一側(cè)的設(shè)定參考壓力或環(huán)境壓力進(jìn)行比較。有幾種不同的壓力傳感器技術(shù)，如壓阻式、電容式和感應(yīng)式。例如，壓阻式壓力傳感器檢測由壓力差引起的應(yīng)變，該壓力差導(dǎo)致隔膜材料的電阻發(fā)生可測量的變化。這些技術(shù)為各種應(yīng)用提供了選擇，包括汽車（發(fā)動機(jī)性能控制、胎壓監(jiān)測）、醫(yī)療設(shè)備（血壓和呼吸監(jiān)測）和無人機(jī)（高度計(jì)）。
磁傳感器
磁傳感器（或磁力計(jì)）使用洛倫茲力確定磁場的強(qiáng)度和方向，洛倫茲力在回路電流通過磁場時(shí)會感覺到。該力使環(huán)彎曲成與電場強(qiáng)度成比例，并且可以通過電子或光學(xué)方式檢測這些運(yùn)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(lǐng)域。
微鏡
MEMS微鏡由位于樞軸上的微鏡組成。反射鏡通常設(shè)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，通常可以打開或關(guān)閉（將光反射到散熱器上）每個(gè)反射鏡的位置（允許光流出到某個(gè)目的地）。可以通過使反光鏡顫動來改變打開位置所花費(fèi)的時(shí)間，從而達(dá)到中等亮度。微鏡是遍布全國許多會議室和數(shù)字電影院的數(shù)字投影儀的關(guān)鍵。MEMS反射鏡還用于激光束轉(zhuǎn)向（例如，在LiDAR中）和光纖通信中的開關(guān)。
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(yīng)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(chǔ)襯底晶圓（通常是硅或玻璃），然后通過后續(xù)步驟進(jìn)行構(gòu)建和雕刻：
通過沉積添加材料層，
通過掩模和光刻對表面進(jìn)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(gè)關(guān)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(chǎn)生復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，MEMS制造需要更廣泛的處理步驟，包括深反應(yīng)離子刻蝕（導(dǎo)致接近垂直的側(cè)壁），晶圓級封裝以及沉積可能小于一微米厚。
第三，MEMS微結(jié)構(gòu)的成形既發(fā)生在沉積層內(nèi)又發(fā)生在基板內(nèi)。
第四，對于MEMS工藝，物理世界中的測試與數(shù)字世界中的測試一樣多。大多數(shù)IC芯片只需要接收電流即可確定其數(shù)字輸出通過還是失敗。另一方面，使MEMS感測物理參數(shù)或與物理參數(shù)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(fù)雜。加速度計(jì)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(fù)雜性如何，MEMS相對于其較大的宏觀等效物都具有若干關(guān)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(jī)器，智能手機(jī)和電子可穿戴設(shè)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(xiàn)代工具和產(chǎn)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(yīng)時(shí)間。很小的運(yùn)動部件行進(jìn)的距離更短，并且可以獲得更高的頻率。
MEMS所產(chǎn)生的性能和精度水平是傳統(tǒng)全尺寸組件所無法達(dá)到的（例如，損耗大大降低，靈敏度調(diào)整為更小數(shù)量）。
由于功耗僅是傳統(tǒng)組件的一小部分，因此對便攜式產(chǎn)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(fù)彎曲，并且在不可思議的循環(huán)次數(shù)下可以提供非常長的使用壽命。
盡管前期研究，設(shè)計(jì)和設(shè)置成本可能很高，但使用類似于IC行業(yè)的批處理技術(shù)可擴(kuò)展的批量生產(chǎn)導(dǎo)致MEMS 的單位成本非常低。
結(jié)語
MEMS已在當(dāng)今的工業(yè)和電子世界中站穩(wěn)了腳跟，并準(zhǔn)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(yīng)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(jià)值，而5G通信，IoT傳感，生物芯片和自動駕駛汽車等領(lǐng)域的革命將確保在可預(yù)見的未來實(shí)現(xiàn)指數(shù)級增長。
作者：史蒂夫
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