作者 David Askew， Mouser Electronics

　　什么是MEMS？

　　微機電系統（MEMS），在歐洲也被稱為微系統技術，或在日本被稱為微機械，是一類器件，其特點是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發的直徑小很多。

　　MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，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處理式的微制造技術。

　　今天很多產品都利用了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。

　　我們為何需要MEMS？

　　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動機。他們告訴我，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下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。”

　　——理查德·費曼，《底部仍然存在充足的空間》發表于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。

　　在這個經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·費曼繼續描述我們如何在針尖上寫出大英百科全書的每一卷。但我們可能會問：為什么要在這樣一個微小尺上生成這些對象？

　　（編者注：理查德·費曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費曼是十九世紀末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國的后裔。美國物理學家。1965年諾貝爾物理獎得主。提出了費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法，是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具。費曼被認為是愛因斯坦之后最睿智的理論物理學家，也是第一位提出納米概念的人）

　　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務，同時還有很多獨特的優勢。這其中第一個以及最明顯的一個優勢就是小型化。如前所述，MEMS規模的器件，小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產工藝制造。如同集成電路產業一樣，批量制造能顯著降低大規模生產的成本。在一般情況下，微機電系統也需要非常量小的材料以進行生產，可進一步降低成本。

　　除了價格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價物的應用范圍更廣。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；但通過減小了幾個數量級，MEMS器件可以用在容不下傳統傳感器的應用中。

　　圖1：TI的數字微鏡像素，拆解視圖。德州儀器版權所有。

　　易于集成是MEMS技術的另一個優點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集成在一個真正的一體化器件中雖然挑戰性很大，但并非不可能，而且在逐步實現。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創造成功商用并具備成本效益的MEMS 產品。

　　德州儀器的數字微鏡器件（DMD）就是其中一個案例。DMD是TI DLP? 技術的核心，它廣泛應用于商用或教學用投影機單元以及數字影院中。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。灰度圖像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。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或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續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規模的物理域中發掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　圖2：簡化的MEMS加速度計

　　MEMS現狀

　　基于各種原因，許多MEMS產品在商業上取得了巨大成功，其中許多器件已經獲得廣泛應用。汽車工業是MEMS技術的主要驅動力之一。例如MEMS振動結構陀螺儀，是一款新的相當便宜的設備，目前用于汽車防滑或電子穩定控制系統中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個單芯片中可助力特定的汽車應用---因為它們的精度要求可能會非常高。基于MEMS的氣囊傳感器自上世紀90年代起在幾乎所有汽車中已經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。

　　許多商用和工業用噴墨打印機使用基于MEMS技術的打印機噴頭，保持這些墨滴并在需要時精確地放下這些墨滴——這一技術被稱為按需投放（DoD）。墨滴放置在橫跨壓電材料（比如 lead zirconatetitanate，）組成的元件中，通過施加的電壓來進行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過施力形成一個非常小量（相對壓縮）的墨水，并從噴嘴中噴出。

　　圖3：基于MEMS按需投放的打印機頭

　　與此同時，其它一些MEMS技術才剛開始大規模進入市場。微機械繼電器（MMR），比如歐姆龍開發的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆龍發揮了自己的微機電系統專業優勢，為市場帶來新款溫度傳感器：D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過程中集成了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18×14×8.8毫米（4x4元件類型）。

　　當然，當前的MEMS技術不限于單個傳感器器件，考慮一下人的感官：單只眼帶給我們顏色、運動和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來雙眼視覺，改善立體感知。事實上，我們的許多感知體驗需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過將傳感數據組合起來，可以彌補單個感官器官的弱點和缺點，并達到某種程度上最佳的環境理解。在人類領域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當它涉及到MEMS時，是移動設備中傳感器技術的一個重要的進展。許多制造商已經開始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺。該平臺集成了3軸加速度計，3軸磁力計，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環境光傳感器，并帶有一個ColdFire + MCU，以提供一個完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

　　隨著MEMS器件的優勢獲得認可，MEMS市場步伐也在持續加快。據YoleDéveloppement2012年MEMS產業報告中所述，在接下來6年，MEMS“將繼續保持平穩、持續的兩位數增長”，2017年全球市場價值將達到210億美元。

　　MEMS設計與制造

　　“有趣的是，這樣小的機器會遇到什么問題。首先，如果各部分壓力維持相同程度，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，除非旋轉速度同比增加，飛輪離心力導致的壓力和膨脹才能維持相同比例。“

　　——理查德·費曼，“底部仍然存在充足的空間”

　　縮放和小型化

　　MEMS 設計和制造的介紹往往起始于對縮放和小型化的回顧。例如，如果我們問，為什么不能簡單地將一個空氣壓縮機或吊扇收縮到跳蚤大小的規模？答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個1000倍大的正常大小的風扇的運行方式不同，因為所涉及力之間的相互強度發生了變化。比例因子，S，有助于理解這中間發生了什么變化。

　　考慮一個矩形，其面積等于長度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100（即長度/ 100和寬度/ 100），該矩形的面積縮小為原來（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——因此隨著縮放越來越小，體積的影響比表面（面積）的影響更大。

　　在一個給定的規模上，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，以及重力為S4。這就解釋了水黽（或“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與一個雙星系統不同。雖然任何設計中都須要開發完整的數學模型，但比例因子有助于指導我們如何設計MEMS大小的器件。

　　子系統建模

　　由于亞毫米器件的直觀性不強，模型對MEMS設計來說非常必要。一般來說，一個完整的微機電系統太過復雜，難以從整體上進行模型分析，因此，通常須要將該模型劃分為多個子系統。

　　子系統建模的其中一種方式是按功能進行分類，比如傳感器、作動器、微電子元件、機械結構等。集總元件建模采用了這種方法，將系統的物理部分表示為理想化特征的分離元件。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。據我們了解，在可以的情況下，電路建模時電氣工程師會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，系統可以使用框圖進行更抽象的建模。在該層次上，可以非常方便地將每個元件的物理特性放置在一邊，而僅使用傳遞函數來描述系統。這種MEMS模型將更有利于控制理論技術，這是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封裝主要是指保護設備免受環境損害，同時還提供一個對外接口以及減輕不必要的外部壓力。 MEMS傳感器通常須要進行應力測量，過大的應力可能因器件變形及傳感器漂移而影響正常功能。

　　每個MEMS設計的封裝往往是唯一的，并且必須進行專門設計。眾所周知，在產業中封裝成本占總成本的很大一部分——在某些情況下會超過50％。

　　MEMS封裝沒有統一標準，僅最近就有多種封裝技術涌現，其中包括MEMS晶圓級封裝（WLP）和硅通孔（TSV）技術。

　　制造

　　源自微電子，MEMS制造的優勢在于批處理。就像其它任何產品，MEMS器件規模量產加大了它的經濟效益。如同集成電路制造，MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益，當然也是最常用的技術。然而，其它處理方式，同時兼具優點和缺點，也在使用，包括化學/物理氣相沉積（CVD/ PVD）、外延和干法蝕刻。

　　盡管很大程度上取決于特定應用，但相比于其電子性能，MEMS器件中使用的材料更看重它們的機械性能。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，以及高溫穩定性。微光學機電系統（MOEMS）可能需要透明的基底，而許多傳感器和作動器必須使用一些壓電或壓阻材料。

　　貿澤電子官網是一個了解更多MEMS器件信息的好去處，這里供應上百個MEMS器件，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。 MEMS技術將持續發展。

　　作者簡介：

　　David Askew 是貿澤電子的一個技術專家，特別是在嵌入式系統和軟件方面。他擁有美國德州大學阿靈頓分校的電子工程學士學位。