1、MEMS系統資料2017年7月12日第 2 頁目錄一 簡介二 技術條件三 組成部分（一） 傳感（二） 生物（三） 光學（四） 射頻四 影響五 應用領域六 發展概述七 發展歷史八 顯著特點（一） 微型化（二） 批量生產（三） 集成化（四） 方便擴展（五） 多學科交叉九 發展前景十 技術基礎十一 產品應用第 11 頁微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。微機電系統其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。微機電系統是在微電子技術（半導體制造技術）基礎上發展起

2、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械加工等技術制作的高科技電子機械器件。微機電系統是集微傳感器、微執行器、微機械結構、微電源微能源、信號處理和控制電路、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。MEMS是一項革命性的新技術，廣泛應用于高新技術產業，是一項關系到國家的科技發展、經濟繁榮和國防安全的關鍵技術。MEMS側重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS光學傳感器

3、、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品。一 簡介MEMS是微機電系統的縮寫。MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。 MEMS技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業，采用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業，就象近20

4、年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。二 技術條件微機電系統MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems)是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對于傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為

5、幾個微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類似的生成技術，可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝，進行大批量、低成本生產，使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。 完整的MEMS是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成于大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。 沿著系統及產品小型化、智能化、集成化的發展方向，可以預見：MEMS會給

6、人類社會帶來另一次技術革命，它將對21世紀的科學技術、生產方式和人類生產質量產生深遠影響，是關系到國家科技發展、國防安全和經濟繁榮的一項關鍵技術。 制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產品。但矛盾之處在于，隨著技術的改進，價格往往也會出現飆升，所以這就導致一個問題：制造商不得不面對相互矛盾的要求在讓產品功能超群的同時降低其成本。 解決這一難題的方法之一是采用微機電系統，更流行的說法是MEMS，它使得制造商能將一件產品的所有功能集成到單個芯片上。MEMS對消費電子產品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實現尺寸和重量的減小。事實上，大多數消費類電子產品所

7、用MEMS元件的性能比已經出現的同類技術大有提高。雖然MEMS過去只限于汽車、工業和醫療應用，但據調查公司估計：“MEMS消費類電子產品的銷售額將在2005年前達到15億美元”。手持式設備制造商正在逐漸意識到MEMS的價值以及這種技術所帶來的好處大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉向成功的MEMS公司，其所實現的成本削減幅度之大，將影響整個消費類電子世界，而不僅是高端裝置。三 組成部分MEMS主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分，它是在融合多種微細加工技術，并應用現代信息技術的最新成果的基礎上發展起來的高科技前沿學科。（一）傳感傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出

8、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換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器，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，是各種自動化裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來將備受世界各國的重視。（二）生物生物MEMS技術是用MEMS技術制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件

9、并集成為多功能芯片。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。（三）光學MEMS光學掃描儀隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一領域是與光學相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術，開發新型光器件，稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波

10、導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制，典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥:二是通信系統，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變，較成功的有光開關調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發。（四）射頻射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類

11、。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動的MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、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、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。隨著時間的推移和技術的逐步發展，MEMS所包含的內容正在不斷增加，并變得更加豐富。世界著名信息技術期刊IEEE論文集在1998年的MEMS專輯中將MEMS的內容歸納為：集成傳感器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS范疇。制作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微

12、電子技術的主要內容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術的主要內容有:硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術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、微反應室、微執行器、微機械等，這就能充分發揮微電子技術的優勢，利用MEMS技術大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛星。MEMS技術是一個新興技術領域，主要屬于微米技術范疇。MEMS技術的發展已經歷了10多年時間，大都基于現有技術，用由大到小的技術途

13、徑制作出來的，發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技術的發展有可能會像微電子一樣，對科學技術和人類生活產生革命性的影響，尤其對微小衛星的發展影響更加深遠，必將為大批量生產低成本高可靠性的微小衛星打開大門。四 影響MEMS技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業，采用MEMS技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。MEMS技術正發展成為一個巨大的產業，就象近20年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大

14、變化一樣，MEMS也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。大多數工業觀察家預測，未來5年MEMS器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為18%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰。五 應用領域在噴墨打印機里作為壓電元件在汽車里作為加速規來控制碰撞時安全氣囊防護系統的施用在汽車里作為陀螺來測定汽車傾斜，控制動態穩定控制系統在輪胎里作為壓力傳感器，在醫學上測量血壓數字微鏡芯片在計算機網絡中充當光交換系統，這是一個與智能灰塵技術的融合設計微

15、機電系統最重要的工具是有限元分析。六 發展概述MEMS是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對于傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小。采用以硅為主的材料，電氣性能優良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢。采用與集成電路（IC）類似的生成技術，可大量利用IC生產中的成熟技術、工藝，進行大批量、低成本生產，使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高。完整的MEMS是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統。其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一

16、起，組成具有多功能的微型系統，集成于大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平。沿著系統及產品小型化、智能化、集成化的發展方向，可以預見：MEMS會給人類社會帶來另一次技術革命，它將對21世紀的科學技術、生產方式和人類生產質量產生深遠影響，是關系到國家科技發展、國防安全和經濟繁榮的一項關鍵技術。制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產品。但矛盾之處在于，隨著技術的改進，價格往往也會出現飆升，所以這就導致一個問題：制造商不得不面對相互矛盾的要求在讓產品功能超群的同時降低其成本。解決這一難題的方法之一是采用微機電系統，更流行的說法是MEMS，它使得制造商能將一件

17、產品的所有功能集成到單個芯片上。MEMS對消費電子產品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實現尺寸和重量的減小。事實上，大多數消費類電子產品所用MEMS元件的性能比已經出現的同類技術大有提高。手持式設備制造商正在逐漸意識到MEMS的價值以及這種技術所帶來的好處大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉向成功的MEMS公司，其所實現的成本削減幅度之大，將影響整個消費類電子世界，而不僅是高端裝置。MEMS在整個20世紀90年代都由汽車工業主導；在過去幾年中，由于iPhone和Wii的出現，使全世界的工程師都看到運動傳感器帶來的創新，使MEMS在消費電子產業出現爆炸式的增長，成為改變

18、終端產品用戶體驗以及實現產品差異化的核心要素。國內MEMS芯片（Die）供應商主要有：上海微系統所、沈陽儀表所、電子部13研究所、北京微電子所等，目前形成生產的主要是MEMS壓力傳感器芯片（Die）。七 發展歷史MEMS第一輪商業化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻曲線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業化出現于20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱

19、式噴墨打印頭現在仍然大行其道。第三輪商業化可以說出現于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。目前MEMS產業呈現的新趨勢是產品應用的擴展，其開始向工業、醫療、測試儀器等新領域擴張。推動第四輪商業化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的片上實驗室生化藥品開發系統和微型藥品輸送系統的靜態和移動器件。八 顯著特點微機電系統是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中后期崛起以來發展極其迅速，被認為是繼微電子之后又一個對國民

20、經濟和軍事具有重大影響的技術領域，將成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。 膠囊內鏡，可用于消化系統拍照檢查等。 微機電系統的優點是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等。微機電系統的出現和發展是科學創新思維的結果，使微觀尺度制造技術的演進與革命。微機電系統是當前交叉學科的重要研究領域，涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學技術工程，將是未來國民經濟和軍事科研領域的新增長點。 MEMS(微機電系統)最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域，隨著MEMS技術的進一步發展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特

21、點，對小體積高性能的MEMS產品需求增勢迅猛，消費電子、醫療等領域也大量出現了MEMS產品的身影。（一） 微型化MEMS器件體積小，重量輕，耗能低，慣性小，諧振頻率高，響應時間短。MEMS系統與一般的機械系統相比，不僅體積縮小，而且在力學原理和運動學原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發生變化。在MEMS系統中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至于結構內應力與應變之間的線性關系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當。密度類似于鋁，熱傳導率接近銅

22、和鎢，因此MEMS器件機械電氣性能優良。（二） 批量生產MEMS采用類似集成電路(IC)的生產工藝和加工過程，用硅微加工工藝在一硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度，批量生產可大大降低生產成本;而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS產品在經濟性方面更具競爭力。（三） 集成化MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個傳感器或 微機電系統元件(2張) 執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列和微執行器陣列。甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩定性的微型機電系統

23、。（四） 方便擴展由于MEMS技術采用模塊設計，因此設備運營商在增加系統容量時只需要直接增加器件/系統數量，而不需要預先計算所需要的器件/系統數，這對于運營商是非常方便的。（五）多學科交叉集中了當今科學技術發展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統，將開辟一個新技術領域。九 發展前景未來三年，在中國3C產品、汽車電子、醫療電子等產品產量繼續保持較快增長的帶動下，中國MEMS傳感器市場規模有望進一步擴大。此外，不斷涌現的新產品以及新應用也成為這一市場持續發展的重要保障。2011-2013年，中國MEMS傳感器市場將持續保持兩位數增長水平，但從2012年開始，隨著金融

24、危機導致的恢復性增長因素的消退，以及市場基數的增大，中國MEMS傳感器市場增速將有所回調。到2013年，中國MEMS傳感器市場銷售額預計將達214.2億元。具體在產品上，主力產品加速度、壓力傳感器、噴墨頭等產品技術已經相對成熟和穩定，技術研發主要體現在性能及指標的優化。DMD微鏡陣列為更好應用于手機等便攜設備，其尺寸的進一步微縮也成為研發重點。除傳統產品外，不斷涌現的新產品如地磁傳感器的規模化應用也成為整體MEMS傳感器市場的一大亮點。此外，一些前沿產品如新型MEMS振蕩器、基于MEMS技術的存儲器、MEMS電池也正處于研發階段中，并有望在未來三到五年實現良好的經濟效益。另外，在產品形態上，一

25、些MEMS傳感器產品已經從原來單獨的芯片向模塊和系統解決方案升級，以加快產品上市進程和應用推廣。人們不僅要開發各種制造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS技術與航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域相結合，制作出符合各領域要求的微傳感器、微執行器、微結構等MEMS器件與系統。微機電系統在生物醫學方面的一個應用-膠囊式內窺鏡系統。膠囊式內窺鏡系統在低功耗數模混合集成電路芯片解決方案、低功耗SOC系統設計、射頻無線啟動開關、醫學圖像處理以及高清數字視頻的研發等方面。大方向有三類：RF MEMS;射頻，比如relay，switch，可變電容，諧振器BIO-MEM

26、S;生物，比如微全分析系統。POWER MEMS.微能量采集，比如微馬達。十 技術基礎MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：（1）設計與仿真技術；（2）材料與加工技術（3）封裝與裝配技術；（4）測量與測試技術；（5）集成與系統技術等。十一 產品應用1 任天堂的Wii搭載運動傳感器（Motionsensor）的Wii手柄采用了ST的3軸加速度傳感器。2 WorldTour游戲吉他中使用了飛思卡爾公司的MMA7360L三軸加速計3 iPhone將使用MEMS陀螺儀，iPhone可以在很多應用中使用該技術，比如保齡球、高爾夫等運動游戲。另外，該項技術還可以將iPhone和桌面PC游戲結合在一起。任天堂和索尼都已經使用該項技術做為和其它系統相連的游戲控制器，蘋果也已經將iPhone用作Mac筆記本的遙控設