本文作者为留美MEMS博士，是
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写在前面
虽然大部分人对付MEMS（Microelectromechanical systems，微机电系统/微机器/微系统）还是感到很陌生，但是实在MEMS在我们生产，乃至生活中早已无处不在了，智好手机，健技艺环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备，部分早期和险些所有近期电子产品都运用了MEMS器件。
MEMS是一门综合学科，学科交叉征象及其明显，紧张涉及微加工技能，机器学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等等。MEMS器件的特色长度从1毫米到1微米，比较之下头发的直径大约是50微米。
MEMS传感器紧张优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，正在逐渐取代传统机器传感器，在各个领域险些都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、乃至航空航天、机器、化工及医药等各领域。
常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显示器，DNA扩增微系统，催化传感器。
MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相称成熟的微电子技能、集成电路技能及其加工工艺。MEMS每每会采取常见的机器零件和工具所对应微不雅观仿照元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它构造。然而，MEMS器件加工技能并非机器式。相反，它们采取类似于集成电路批处理式的微制造技能。
批量制造能显著降落大规模生产的本钱。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸(直径20厘米)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片（图1），分摊到每个芯片的本钱则可大幅度降落。
因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多事情集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。
图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意图
图2. 从硅质料到硅片过程。硅片上的重复单元可称为芯片（chip 或die）
MEMS须要专门的电子电路IC进行采样或驱动，一样平常分别制造好MEMS和IC粘在同一个封装内可以简化工艺，如图3。不过具有集成可能性是MEMS技能的另一个优点。
正如之条件到的，MEMS和ASIC (专用集成电路)采取相似的工艺，因此具有极大地潜力将二者集成，MEMS构造可以更随意马虎地与微电子集成。然而，集成二者难度还是非常大，紧张考虑成分是如何在制造MEMS担保IC部分的完全性。
例如，部分MEMS器件须要高温工艺，而高温工艺将会毁坏IC的电学特性，乃至熔化集成电路中低熔点材料。MEMS常用的压电材料氮化铝由于其低温沉积技能，由于成为一种广泛利用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。
虽然难度很大，但正在逐步实现。与此同时，许多制造商已经采取了稠浊方法来创造成功商用并具备本钱效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203，图4。
ADXL203是完全的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计，供应经由旗子暗记调理的电压输出，所有功能（MEMS & IC）均集成于一个单芯片中。这些器件的满量程加速度丈量范围为±1.7 g，既可以丈量动态加速度（例如振动），也可以丈量静态加速度（例如重力）。
图3. MEMS与IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一个封装内
图4. ADXL203（单片集成了MEMS与IC）
1、通信/移动设备
图7. 智好手机简化示意图
在智好手机中，iPhone 5采取了4个 MEMS传感器，三星Galaxy S4手机采取了八个MEMS传感器。
iPhone 6 Plus利用了六轴陀螺仪&加速度计（InvenSense MPU-6700）、三轴电子罗盘（AKM AK8963C）、三轴加速度计（Bosch Sensortec BMA280），磁力计，大气压力计（Bosch Sensortec BMP280）、指纹传感器(Authen Tec的TMDR92)、间隔传感器，环境光传感器(来自AMS的TSL2581 )和MEMS麦克风。
iphone 6s与之类似，轻微多一些MEMS器件，例如采取了4个MEMS麦克风。估量将来高端智好手机将采取数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。MEMS硬件也将成为LTE技能亮点部分，将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技能。
以智好手机为主的移动设备中，运用了大量传感器以增加其智能性，提高用户体验。这些传感器并非手机等移动/通信设备独占，在本文以及后续文章其他地方所先容的加速度、化学元素、人体感官传感器等可以理解干系信息，在此不赘叙。此处紧张先容通信中较为特殊的MEMS器件，紧张为与射频干系MEMS器件。
通信系统中，大量不同频率的频带（例如不同国家，不同公司间利用不同的频率，2G，3G，LTE，CDMD以及蓝牙，wifi等平分歧技能利用不同的通信频率）被利用以完成通讯功能，而这些频带的利用离不开频率的产生。
声表面波器件，作为一种片外(off-chip)器件，与IC集成难度较大。表面声波（SAW）滤波器曾是手机天线双工器的国度栋梁。2005年，安捷伦科技推出基于MEMS体声波（BAW）谐振器的频率器件（滤波器），该技能能够节省四分之三的空间。
BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW没有运动部件，紧张通过体积膨胀与紧缩实现其功能。（其余一个非位移式MEMS范例例子是依赖材料属性变革的MEMS器件，例如基于相变材料的开关，加入不同电压可以使材料发生相变，分别为低阻和高阻状态，详见后续开关专题）。
在此值得一提的事，安华高Avago（前安捷伦半导体奇迹部）卖的风起云涌的薄膜腔声谐振器（FBAR）。也是前段韶光天津大学在美国被抓的zhang hao研究的东西。得益于AlN氮化铝压电材料的沉积技能的巨大进步，AlN FBAR已经被利用在iphone上作为主要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR (Solidly Mounted Resonator)。其事理紧张通过固体声波在高下表面反射形成谐振腔。
图8. FBAR示意图，压电薄膜悬空在腔体至上
图9. SMR示意图(非悬空构造，采取Bragg reflector布拉格反射层)
如果所示，个中的赤色线条表示震撼幅度。固体声波在垂直方向发生反射，从而将能量集中于中间橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面，靠近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面，无法达到完美反射，因此部分能量向下透露。
实物FBAR扫描电镜图。故意将其设计成不平行多边形是为了避免水平方向水平方向反射导致的谐振，如果水平方向有谐振则会形成杂波。
上图所示为肃清杂波前后等效导纳（即阻抗倒数，或者大略理解为电阻值倒数）。肃清杂波后其特性曲线更平滑，效率更高，损耗更小，所形成的滤波器在同频带内的纹波更小。
图示为多少FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒比拟，该滤波器比米粒还要小上许多。
2、可穿着/植入式领域
图10. 用户与物联网
可穿着/植入式MEMS属于物联网IoT主要一部分，紧张功能是通过一种更便携、快速、友好的办法（目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平）直接向用户供应信息。可穿着/该当说是最受用户关注，最感兴趣的话题了。
大部分用户对汽车、打印机内的MEMS无感，这些器件与用户中间经由了数层中介。但是可穿着/直接与用户打仗，提升消费者科技感，更受年轻用户喜好，例子可见Fitbit等健技艺环。
该领域最主要的紧张有三大块：消费、康健及工业，我们在此紧张谈论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之条件到的健技艺环，还有智好手表等。康健领域，即医疗领域，紧张包括诊断，治疗，监测和照顾护士。
比如助听、指标检测（如血压、血糖水平），体态监测。MEMS险些可以实现人体所有感官功能，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉（如Honeywell电子鼻）、触觉等，各种康健指标可通过结合MEMS与生归天学进行监测。
MEMS的采样精度，速率，适用性都可以达到较高水平，同时由于其体积上风可直接植入人体，是医疗赞助设备中关键的组成部分。
传统大型医疗东西上风明显，精度高，但价格昂贵，遍及难度较大，且一样平常一台设备只完成单一功能。比较之下，某些医疗目标可以通过MEMS技能，利用其体积小的上风，深入打仗丈量目标，在达到一定的精度下，降落本钱，完成多重功能的整合。
以近期所理解的一些MEMS项目为例，通过MEMS传感器对体内某些指标进行丈量，同时MEMS实行器（actuator）可直接浸染于器官或病变组织进行更直接的治疗，同时系统可以通过MEMS能量网络器进行无线供电，多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输。
个人认为，MEMS医疗前景广阔，不过离成熟利用还有不短的间隔，尤其考虑到技能难度，可靠性，人体安全等。
图11. MEMS实现人体感官功能
可穿着设备中最著名，盛行的便数苹果腕表了，实在苹果腕表和苹果腕表构造已经非常相似了，处理器、存储单元、通信单元、（MEMS）传感器单元等，因此对此不在赘叙。
图12. 苹果腕表现意图
3、投影仪
投影仪所采取的MEMS微镜如图13,14所示。个中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。
每个微镜都由多少锚anchor或铰链hinge支撑，通过改变外部勉励从而掌握同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度，将入射光芒向特定角度反射。
大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸掌握可以通过许多办法实现，一种大略的办法便是通过加热使其热膨胀，当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时，可以使它们产生不同形变，从而向指定角度倾斜。TI采取的是静电驱动办法，即通入电来产生静电力来倾斜微镜。
图13 微镜的SEM示意图
图14 微镜构造示意图
德州仪器的数字微镜器件(DMD)，广泛运用于商用或传授教化用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜利用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和关闭状态之间产生的。
颜色通过利用三芯片方案(每一基色对应一个芯片)，或通过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来加入。采取后者技能的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的办法显示每种颜色，让不雅观众看到一个完全光谱的图像。
TI有一个非常非常详细生动的视频先容该产品，你可以在这个视频中看到全体微镜阵列如何对光进行不同角度的折射。
图15 微镜反射光芒示意图
4、MEMS 加速度计
加速度传感器是最早广泛运用的MEMS之一。MEMS，作为一个机器构造为主的技能，可以通过设计使一个部件(图15中橙色部件)相对底座substrate产生位移（这也是绝大部分MEMS的事情事理），这个部件称为质量块（proof mass）。质量块通过锚anchor，铰链hinge，或弹簧spring与底座连接。
绿色部分固定在底座。当感应到加速度时，质量块相对底座产生位移。通过一些换能技能可以将位移转换为电能，如果采取电容式传感构造（电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响），电容大小的变革可以产生电流旗子暗记供其旗子暗记处理单元采样。通过梳齿构造可以极大地扩大传感面积，提高丈量精度，降落旗子暗记处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等办法实现。
图15 MEMS加速度计构造示意图
图16 MEMS加速度计中位移与电容变革示意图
汽车碰撞后，传感器的proof mass产生相对位移，旗子暗记处理单元采集该位移产生的电旗子暗记，触发气囊。
图17. 汽车碰撞后加速度计的输出变革
实物图，比例尺为20微米，即20/1000毫米
5、打印喷嘴
一种设计风雅的打印喷如下图所示。两个不同大小的加热元件产生大小不一的气泡从而将墨水喷出。详细过程为：1，左侧加热元件小于右侧加热元件，通入相同电流时，左侧产生更多热量，形成更大气泡。左侧气泡首先扩大，从而隔绝旁边侧液体，保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡分裂，液体重新添补该腔体。
图18. 采取气泡膨胀的喷墨式MEMS
图19. HP生产的喷墨式MEMS干系产品
另一种类型MEMS打印喷头，也是通过加热，气泡扩大将墨水挤出：
MEMS喷头nozzle及加热器heater实物图:
还有一种类型是通过压电薄膜震撼来挤压墨水出来：
6、开关/继电器
MEMS继电器与开关。其上风是体积小（密度高，采取微工艺批量制造从而降落本钱），速率快，有望取代带部分传统电磁式继电器，并且可以直接与集成电路IC集成，极大地提高产品可靠性。
其尺寸眇小，靠近于固态开关，而电路通断采取与机器打仗（也有部分产品采取其他通断办法），其上风劣势基本上介于固态开关与传统机器开关之间。
MEMS继电器与开关一样平常含有一个可移动悬臂梁，紧张采取静电致动事理，当提高触点两端电压时，吸引力增加，引起悬臂梁向另一个触电移动，当移动至总行程的1/3时，开关将自动吸合（称之为pull in征象）。pull in征象在宏不雅观天下同样存在，但是通过打算可以得知所需的阈值电压高得离谱，以是我们日常中险些不会看到。
图20. MEMS开关断合示意图
再贴上几张实物图片，与示意图并非完备同等，但是事理类似，都是掌握着一个间隙gap打仗与否：
生物类实验
MEMS器件由于其尺寸靠近生物细胞，因此可以直接对其进行操作。
图21. MEMS操作细胞示意图
7、NEMS（纳机电系统）
NEMS（Nanoelectromechanical systems, 纳机电系统）与MEMS类似，紧张差异在于NEMS尺度/重量更小，谐振频率高，可以达到极高丈量精度(小尺寸效应)，比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度,(表面效应)，且具有利用量子效应探索新型丈量手段的潜力。
首个NEMS器件由IBM在2000年展示, 如图22所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器件采取表面微加工技能加工而成（MEMS中采取运用较多的有体加工技能，当然MEMS也采取了不少表面微加工技能，关于微加工技能将会在之后的专题进行先容）。
该器件设计用来进行超高密度，快速数据存储，基于热机器读写技能（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技能来源于AFM(原子力显微镜)技能，比较磁存储技能，基于AFM的存储技能具有更大潜力。
快速热机器写入技能（Fast thermomechanical writing）基于以下观点（图23），‘写入’时通过加热的针尖局部软化/融化下方的聚合物polymer，同时施加眇小压力，形成纳米级别的刻痕，用来代表一个bit。加热时通过一个位于针尖下方的阻性平台实现。
对付‘读’，施加一个固定小电流，温度将会被加热平台和存储介质的间隔调制，然后通过温度变革读取bit。而温度变革可通过热阻效应（温度变革导致材料电阻变革）或者压阻效应（材料收到压力导致形变，从而导致导致材料电阻变革）读取。
图22. IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图（SEM）其针尖小于20nm
图23.快速热机器写入技能示意图
参考文献：
1. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. Häberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 80, Issue 2, 10 March 2000, Pages 100-107, ISSN 0924-4247, VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage.
2. M. Despont, J. Brugger, U. Drechsler, U. Dürig, W. Häberle, M. Lutwyche, H. Rothuizen, R. Stutz, R. Widmer, G. Binnig, H. Rohrer, P. Vettiger, VLSI-NEMS chip for AFM data storage, Technical Digest 12th IEEE Int. Micro Electro Mechanical Systems Conf. MEMS '99, Orlando, FL, January 1999, IEEE, Piscataway, 1999, pp. 564–569.
3. Fan-Gang Tseng, Chang-Jin Kim and Chih-Ming Ho, "A high-resolution high-frequency monolithic top-shooting microinjector free of satellite drops - part I: concept, design, and model," inJournal of Microelectromechanical Systems, vol. 11, no. 5, pp. 427-436, Oct 2002.
4. Sensors for Wearable Electronics & Mobile Healthcare
5. Martín, F.; Bonache, J. Application of RF-MEMS-Based Split Ring Resonators (SRRs) to the Implementation of Reconfigurable Stopband Filters: A Review. Sensors2014, 14, 22848-22863.
（ADXL203 精密±1.7g 双轴iMEMS® 加速度计数据手册及运用电路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）
（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; Göran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS and ICs，Microsystems & Nanoengineering, 2015, Vol.1. Integrating MEMS and ICs : Microsystems & Nanoengineering）
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来源：知乎 | 阿hong
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