http://www.elecfans.com/article/88/142/2016/20160608422318_a.html

2016

  　　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-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(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://www./media/en/technical-documentation/data-sheets/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 ; G?ran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS and ICs,，Microsystems & Nanoengineering,， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems & Nanoengineering）

　　圖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)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（How MEMS Enable Smartphone Features，http:///mobile-commerce-2-0-where-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 BM［280）,、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 ）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L(zhǎng)TE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)MEMS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,。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）,。

　　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） （SAW/FBAR設(shè)備的工作原理及使用范例）

　　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(guò)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,?？纱┐?應(yīng)該說(shuō)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(wú)感，這些器件與用戶中間經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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。以近期我所參與的一些項(xiàng)目為例,，通過(guò)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(guò)MEMS能量收集器進(jìn)行供電,，多組單元可以通過(guò)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(guò)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*Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare

　　其他領(lǐng)域

　　投影儀

　　投影儀所采用的MEMS微鏡如圖13,，14所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中掃描電鏡圖則是來(lái)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(guò)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(guò)許多方式實(shí)現(xiàn)，一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)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,。

　　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),?；叶葓D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(guò)使用三芯片方案（每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片）,，或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入,。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)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 （5分鐘帶你了解什么是MEMS）,。

　　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（https://www./watch？v=8l8p62JhH6o）,。

　　圖15 微鏡反射光線示意圖

　　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(guò)設(shè)計(jì)使一個(gè)部件（圖X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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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,。 可參見一下鏈接

　　打印噴嘴

　　一種設(shè)計(jì)精巧的打印噴嘴如圖X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(guò)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

　　開關(guān)/繼電器

　　MEMS繼電器與開關(guān)。其優(yōu)勢(shì)是體積?。芏雀?，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),，

　　圖20. MEMS開關(guān)斷合示意圖

　　生物試驗(yàn)類

　　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