1、干貨：有關(guān)MEMS 的最詳細(xì)介紹雖然大部分人對(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(wú)處不在了，智能手機(jī)，健身手環(huán)、打印機(jī)、汽車、無(wú)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(zhǎng)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

2、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

3、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

4、 IC 粘在同一個(gè)封裝內(nèi)可以簡(jiǎn)化工藝， 如圖 3。不過(guò)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-CMOScompaTIble（后 CMOS 兼容）材料。雖然難度很大，但

5、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(lái)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(guò)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(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 ）。（ ADXL203精 密1.7g雙 軸iMEMS加 速 度 計(jì) 數(shù) 據(jù) 手 冊(cè) 及 應(yīng) 用 電 路 ，http:/analog/media/en/technical-documentaTIon/data-sheets/

6、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 ; Gran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus ， IntegraTIng MEMS and ICs，Microsystems Nanoengineering， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems Nanoengineering）圖

7、 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(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)鞲衅鞯拿舾谐潭龋ū砻嫘?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 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

8、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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)代表一個(gè) bit。加熱時(shí)

9、通過(guò)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(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)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(jiǎn) 化 示 意 圖 （ HowMEMSEnableSmartphone Features ，http:/smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-

10、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 BM280）、指紋傳感器（ Authen Tec 的 TMDR92 ）、距離傳感器，環(huán)境光傳感器（來(lái)自AMS 的 TSL2581

11、 ）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(lái)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) ME

12、MS 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(guò)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(guó)被抓的zhang hao 研究的東西