什么是MEMS？

微機電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術，在日本則被稱為微機械，是一類尺寸很小且制造方式特別的器件。MEMS器件的典型長度從1毫米到1微米不等，比人類頭發(fā)的直徑還小很多倍。

MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應的微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批量處理的微制造技術。

今天有很多產(chǎn)品都利用了MEMS技術，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測器等。

為什么需要MEMS？

“他們告訴我有一種小手指指甲大小的電動機。他們說，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打算討論的方向上暫停的一小步，在其下就是一個驚人的小世界。公元2000年，當他們回顧當前階段時，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認真地朝這個方向努力?！?span style="text-indent: 2em;">——理查德·費曼，《底部仍然存在充足的空間》（There's Plenty of Room at the Bottom）發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學（Caltech）舉辦的美國物理學會年會上。

在這個經(jīng)典的帶預言性質的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費曼繼續(xù)描述我們?nèi)绾卧卺樇馍蠈懗觥洞笥倏迫珪返拿恳痪怼５覀兛赡軙枺簽槭裁匆谶@樣一個微小尺寸上操控這些對象？

MEMS器件可以完成許多用宏觀器件執(zhí)行的任務，同時還有很多獨特的優(yōu)勢。這其中第一個并且最明顯的一個優(yōu)勢就是小型化。如前所述，MEMS尺寸的器件，小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。一般情況下，MEMS需要的生產(chǎn)材料也少得多，可進一步降低成本。

除了價格更便宜，MEMS器件與比它們更大的對應器件相比，應用范圍也更廣。在智能手機、相機、氣囊控制單元或類似的小型設備中，竭盡所能也設計不出金屬球和彈簧加速度計；但將器件尺寸降低幾個數(shù)量級后，MEMS器件就可以用在放不下傳統(tǒng)傳感器的應用中。

圖1：TI的數(shù)字微鏡像素拆解視圖。TEXAS INSTRUMENTS版權所有。

易于集成是MEMS技術的另一個優(yōu)點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更輕松地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集成在一個真正一體化的器件中雖然難度很大，但并非不可能，而且已在逐步實現(xiàn)。與此同時，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來制造成功商用并具備成本效益的MEMS產(chǎn)品。

Texas Instruments數(shù)字微鏡器件（DMD）就是其中一個示例。DMD是TI DLP?技術的核心，它廣泛應用于商用和教學用投影儀裝置以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進行靜電致動?；叶葓D像是在脈沖寬度所調(diào)制反射鏡的開啟和關閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏色通過使用三芯片方案（每一基色對應一個芯片），或通過一個單芯片以及一個色環(huán)或RGB LED光源來加入。采用后一種技術的設計通過色環(huán)的旋轉來實現(xiàn)DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像。

或許MEMS技術的一個最有趣特性是設計師得以展示在如此小尺寸的物理域中發(fā)掘物理獨特性的能力——這一主題后面會再次談及。

基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中有很多器件已經(jīng)獲得廣泛應用。汽車工業(yè)是MEMS技術的主要推動力之一。例如MEMS振動結構陀螺儀，是一款相當便宜的新設備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。Murata Electonics Oy SCX系列MEMS加速度計、陀螺儀和傾斜儀，以及集成了這些功能各種組合的芯片可助力特定的汽車應用——這些應用要求在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)非常高的精度?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個簡化的MEMS加速度計示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個帶有一定質量塊的懸臂梁連接到一個或多個固定點以作為彈簧。當傳感器沿梁的軸線加速時，該梁會移動一段距離，這段距離可以通過梁的“牙齒”與外部固定導體之間的電容變化來測量。

圖2：簡化的MEMS加速度計

許多商用和工業(yè)用噴墨打印機使用基于MEMS技術的打印機噴頭，保持墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這種技術被稱為按需投放（DoD）。通過對壓電材料（比如鋯鈦酸鉛）組成的元件施加電壓，讓墨水變形。這增加了打印機噴頭墨水室內(nèi)的壓力，讓非常少量（相對不可壓縮）的墨水從噴嘴中噴出。

圖3：基于MEMS按需投放技術的打印機噴頭

與此同時，其它一些MEMS技術才剛開始大規(guī)模進入市場。比如歐姆龍（Omron）開發(fā)的微機械繼電器 (MMR)，更快、更高效，片上集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢，為市場帶來新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。D6T在MEMS制造過程中集成了ASIC和熱電堆元件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18 x 14 x 8.8mm（4x4元件類型）。

當然，現(xiàn)在的MEMS技術并不局限于單一的傳感器設備。為什么要這樣？考慮下人類的感官：一只眼睛給我們提供顏色、運動和（某些）位置信息，而兩只眼睛則使我們能夠通過雙目視覺提高深度知覺。事實上，我們的許多感性經(jīng)驗都需要感官的結合才能有意義。我們的想法是，通過結合感官數(shù)據(jù)，我們可以彌補每個個體感官的弱點和缺點，并在某種程度上達到對環(huán)境的更好理解。對于人類來說，這被稱為“多模集成”；在電子學中，這被稱為傳感器融合。傳感器融合，特別是與MEMS相關的傳感器融合，是移動設備傳感器技術的重要發(fā)展。許多制造商已經(jīng)提供了完整的解決方案，如飛思卡爾（Freescale）面向Windows?8的12軸Xtrinsic傳感器平臺。該平臺將三軸加速度計、三軸磁強計、壓力傳感器、三軸陀螺儀、環(huán)境光傳感器與ColdFire+MCU集成在一起，作為一個整體硬件解決方案，然后再將其與專有的傳感器融合軟件結合。

隨著MEMS器件的優(yōu)勢得到認可，MEMS市場繼續(xù)加快增長的步伐。根據(jù)Yole Développement的2012年MEMS行業(yè)報告，MEMS“在未來六年將繼續(xù)保持穩(wěn)定、可持續(xù)的兩位數(shù)增長”，到2017年全球市場規(guī)模將達到210億美元。

MEMS設計與制造

“考慮這樣小的機器會遇到什么問題很有趣。首先，如果各部件的壓力維持相同強度，力隨面積減小而變化，這樣重量以及慣性等將相對無足輕重。換句話說，材料的強度所占比重將增加。比如，隨著我們減小尺寸，只有旋轉速度同比增加，飛輪離心力導致的壓力和膨脹才能維持相同比例?！薄?span style="text-indent: 2em;">理查德·費曼，《底部仍然存在充足的空間》

縮放和小型化

在介紹MEMS設計和制造時，往往會先回顧一下縮放和小型化。例如，如果我們問，為什么不能簡單地將空氣壓縮機或吊扇壓縮到跳蚤大?。看鸢甘菈嚎s定律。跳蚤大小的吊扇與相當于其1000倍大的正常大小風扇的運行方式不同，因為所涉及力之間的相互強度發(fā)生了變化。比例因子S，有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

請考慮一個矩形，其面積等于長度和寬度的乘積；如果該矩形按比例因子100倍進行縮小 (即長度/ 100，寬度/ 100)，那么該矩形的面積將縮小為原來的 (1/100) ^2= 1/10000。因此，面積的比例因子是S2。同樣，體積的比例因子是S3—因此隨著壓縮比例越來越高，體積受到的影響比表面 (面積) 更大。

在一個給定的規(guī)模上，謹慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中最相關的物理現(xiàn)象。表面張力的比例因子是S1，壓力以及靜電相關的力是S2，磁場力是S3，重力為S4。這就解釋了水黽 (或稱“水臭蟲”) 為什么可以在水面上行走，以及為何一對滾球軸承的表現(xiàn)與一個雙星系統(tǒng)不同。雖然任何設計中都需要開發(fā)完整的數(shù)學模型，但比例因子有助于指導我們?nèi)绾卧O計MEMS大小的器件。

子系統(tǒng)建模

由于亞毫米器件的直觀性不強，模型對于MEMS設計來說尤為重要。一般來說，一個完整的微機電系統(tǒng)太過復雜，難以從整體上進行模型分析，因此，通常需要將模型劃分為多個子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)建模的其中一種方式是按功能進行部件分類，比如傳感器、執(zhí)行器、微電子元件、機械結構等。集總元件建模采用了這種方法，將系統(tǒng)的物理部件表示為特征理想化的分立元件。電子電路以同樣的方式進行建模，使用理想化的電阻、電容、二極管以及各種復雜元件。據(jù)我們了解，電路建模時電氣工程師會盡量使用大大簡化的基爾霍夫電路定律，而不是使用麥克斯韋方程。

再次，如同電子領域一樣，系統(tǒng)可以使用框圖進行更抽象的建模。在這個層級，可以非常方便地將每個元件的物理特性放到一邊，而僅使用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)。這種MEMS模型將更有利于控制理論技術，這是用于實現(xiàn)最高性能設計的一套重要工具。

設計集成

盡管標準IC設計通常由一系列步驟組成，但MEMS設計則截然不同；設計、布局、材料以及MEMS封裝本質上是交織在一起的。正因為如此，MEMS設計比IC設計更復雜 — 通常要求每一個設計“階段”同步發(fā)展。

MEMS封裝過程可能是與CMOS設計分歧最大的地方。MEMS封裝主要是保護器件免受環(huán)境損害，同時還提供一個對外接口以及減輕不必要的外部壓力。MEMS傳感器經(jīng)常需要進行應力測量，過大的應力會造成器件變形及傳感器漂移，從而影響正常功能。

每個MEMS設計的封裝往往是唯一的，并且必須進行專門設計。業(yè)內(nèi)眾所周知，封裝成本會占總成本的很大一部分 — 在有些情況下會超過50％。

MEMS封裝沒有統(tǒng)一標準，僅最近就有多種封裝技術涌現(xiàn)，其中包括MEMS晶圓級封裝 (WLP) 和硅通孔 (TSV) 技術。

制造

與微電子一樣，MEMS制造的優(yōu)勢在于批量處理。和其它產(chǎn)品也一樣，MEMS器件的規(guī)模量產(chǎn)增加了它的經(jīng)濟效益。就像集成電路制造一樣，MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益，當然也最常用。不過同時兼具優(yōu)點和缺點的其它工藝，也在使用，包括化學/物理氣相沉積 (CVD / PVD)、磊晶和干法蝕刻。

盡管很大程度上取決于具體應用，但相比于其電子性能，MEMS器件中使用的材料更被看重的是它們的機械性能。所需的機械性能可能包括：高剛度，高斷裂強度和斷裂韌性，化學惰性，以及高溫穩(wěn)定性。微光學機電系統(tǒng) (MOEMS) 可能需要透明的基底，而許多傳感器和執(zhí)行器必須使用一些壓電或壓阻材料。

要學習關于MEMS器件的更多知識，歡迎訪問貿(mào)澤電子網(wǎng)站。另外，從振蕩器、開關、麥克風和電容式觸摸傳感器到流量、位置、運動、壓力、光學和磁性傳感器，還有數(shù)百種MEMS器件。MEMS技術將繼續(xù)發(fā)展，并且還將繼續(xù)縮小技術實現(xiàn)的尺寸。

作者：David Askew

David Askew是貿(mào)澤電子的技術內(nèi)容專員，主要專長在于嵌入式系統(tǒng)和軟件領域。他擁有美國德州大學阿靈頓分校的電子工程學士學位。