技术前沿：MEMS（微机电系统）

MEMS是Micro Electro Mechanical Systems（微机电系统）的缩写，具有微小的立体结构（三维结构），是处理各种输入、输出信号的系统的统称。

是利用微细加工技术，将机械零零件、电子电路、传感器、执行机构集成在一块电路板上的高附加值元件。

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。

图1 MEMS传感器及局部显微放大

图2 MEMS传感器工作原理

图3 MEMS传感器分类

MEMS传感器是采用微电子和微机械技工技术工艺制造出来的微型传感器，种类繁多，是使用最广泛的MEMS产品，通过微传感元件和传输单元把输入的信号转换并导出另一种可监测信号。与传统工艺制造的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

根据应用和地理位置的不同，MEMS可能用其他术语来指代，包括微机（日本），微系统（欧洲），微流体，芯片实验室，生物MEMS,RF MEMS和光学MEMS（或MOEMS）。

尽管以类似于半导体或集成电路的方式制造，但MEMS的不同之处在于它们具有某种机械功能，允许设备与其周围环境相互作用。一些MEMS集成了运动部件（例如悬臂，弹簧或压敏膜片），而其他则没有（RF滤波器，BAW滤波器，光子学和光具座）。

微观结构最早是在1960年代提出的。1970年代带来了几项关键的进展，包括第一个微处理器，批量蚀刻的硅片和第一个微加工的喷墨喷嘴。1982年，库尔特·彼得森（Kurt Petersen）吹捧硅的机械性能，称其为“一种高精度，高强度，高可靠性的机械材料，特别适用于必须将小型机械设备和部件与电子设备集成或接口的情况。” 在1990年代，各种类型的MEMS迅速扩展（包括第一个加速度计），并且不断增长的MEMS设计和制造基础设施将批量生产的设备推向了商业可行性。光学和生物MEMS出现于2000年代，如今，许多类别的MEMS出现了广泛的扩散。

MEMS的原理

把机械臂与电磁感应圈做成一个吸引电级系统，通电后，电磁像磁铁一样把悬臂吸引过来，和传输线连上，这是开；断电后，磁性消失，悬臂与传输线断开，这是关。

典型的MEMS传感器采用机械结构，该机械结构可响应机械或电气刺激（压力，运动，加速度，磁场等）而以受控方式运动。其中典型的技术是使用移动来改变可变电容的极板之间的距离。

陀螺仪需要多个MEMS结构来测量角运动

输出可以采用多种形式：模拟电压；输出电压；标准串行总线，例如SPI或I2C；或在汽车安全气囊应用中流行的专用协议（例如DSI或PSI5）；无线连接选项包括低功耗蓝牙（BLE）。

微机电系统是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。

微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。MEMS是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，是一项关系到国家的科技发展、经济繁荣和国防安全的关键技术。

MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。

常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

MEMS陀螺仪通过利用科里奥利加速度来测量角旋转，该加速度在质量朝向和远离旋转中心移动时在MEMS框架上产生力。陀螺仪有单轴，双轴和三轴版本，适用于不同的应用：例如，双轴陀螺仪用于游戏和光学图像稳定，而三轴陀螺仪可满足汽车远程信息处理和导航的需求。

加速度计还使用框架中的质量来测量静态加速度（即重力）和动态加速度（例如振动，运动，倾斜，冲击等）。归入加速度计的设备包括倾角仪，震动传感器，脑震荡传感器，倾斜传感器和运动传感器。加速度计还具有不同的轴组合：在汽车碰撞传感器中发现单轴设备，在机器人技术，振动监控和防篡改应用中出现三维单元。

压力传感器通过其在MEMS结构中引起的偏转来测量压力。有一些版本可以测量相对于大气压的压力，也可以测量相对于真空密封室的绝对压力。MEMS压力传感器还可以间接测量其他量，例如流体流量，高度和水位。

磁力计使用各种物理现象，例如霍尔效应，测量磁场引起的机械效应。

惯性测量单元（IMU）测量线性和通过组合三轴加速度计和陀螺仪成单个单元角加速度; IMU还可以包括磁力计和压力传感器，以提供有关设备三维方向和运动的信息：x,y和z轴上的加速度；俯仰，滚动，偏航，高度等。应用包括无人驾驶自动驾驶汽车（UAV），机器人技术和工厂自动化，航空电子设备，智能手机和平板电脑，虚拟现实和游戏。

MEMS麦克风通过测量声波撞击由可移动膜片和固定背板组成的可变电容元件时的电容变化来工作。它们被广泛用于空间受限的消费类应用，例如智能手机和平板电脑。

MEMS生物传感器中，生物分子相互作用导致MEMS结构中可测量的运动。例如，在结核病（TB）检测中，涂有TB抗体的MEMS悬臂在将受感染的血液样本置于其上时会发生偏转。

MEMS气体传感器通过测量在涂覆的传感器的表面诱导的电阻变化来检测气体的存在。该传感器可以检测到低浓度的目标气体，典型响应时间少于一秒。湿度传感器被优化以检测水蒸汽。

RF MEMS开关将静电驱动的悬臂梁与单独的驱动器IC结合使用，以代替RF开关应用中不可靠的笨重机电继电器。可以使用多种开关配置：例如，ADI公司的ADGM1304采用SP4T配置，可以处理从DC到14GHz的信号。

MEMS光致动器，例如德州仪器（TI）的数字微镜设备（DMD），使用MEMS技术形成了大量独立控制的镜面。每个反光镜均可在电子控制下倾斜，以在“开启”和“关闭”状态之间切换。启用时，像素将来自投影仪灯泡的光反射到透镜中，使其显得明亮。在关闭状态下，光线会指向其他地方，从而使像素看起来很暗。

MEMS振荡器包含一个谐振器，该谐振器在来自模拟驱动器芯片的静电激励下振动。MEMS振荡器可以产生1Hz至数百MHz的频率，具有出色的稳定性，低功耗和高抗电磁干扰（EMI）能力。

MEMS器件特点

①和半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等；

制造工艺，不需要组装、调整；

②进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上；

③它很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；

④由于工作部件的质量小，高速动作可能；

⑤由于它的尺寸很小，热膨胀等的影响小；

⑥它产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。

优势

经济利益：

1.大批量的并行制造过程；

2.系统级集成；

3.封装集成；

4.与IC工艺兼容。

技术利益：

1.高精度；

2.重量轻，尺寸小；

3.高效能。

主要分类

传感

传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视。

生物

生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

光学

MEMS光学扫描仪

随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:

一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀:二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

射频

射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。

随着时间的推移和技术的逐步发展，MEMS所包含的内容正在不断增加，并变得更加丰富。世界著名信息技术期刊《IEEE论文集》在1998年的MEMS专辑中将MEMS的内容归纳为：集成传感器、微执行器和微系统。人们还把微机械、微结构、灵巧传感器和智能传感器归入MEMS范畴。制作MEMS的技术包括微电子技术和微加工技术两大部分。微电子技术的主要内容有:氧化层生长、光刻掩膜制作、光刻选择掺杂(屏蔽扩散、离子注入)、薄膜(层)生长、连线制作等。微加工技术的主要内容有:硅表面微加工和硅体微加工(各向异性腐蚀、牺牲层)技术、晶片键合技术、制作高深宽比结构的LIGA技术等。利用微电子技术可制造集成电路和许多传感器。微加工技术很适合于制作某些压力传感器、加速度传感器、微泵、微阀、微沟槽、微反应室、微执行器、微机械等，这就能充分发挥微电子技术的优势，利用MEMS技术大批量、低成本地制造高可靠性的微小卫星。

车载激光雷达扫描微镜

要了解MEMS扫描微镜（也叫MEMS振镜或扫描芯片）在车载激光雷达中的应用，还要从应用比较广泛的激光扫描投影MEMS微镜说起。MEMS微镜是一个硅结构的微型机械装置，采用光学MEMS技术制造，是将微光反射镜与MEMS驱动器集成在一起的光学MEMS器件。

MEMS微镜芯片

MEMS微镜采用平动和扭转（x、y两个方向）两种机械运动方式进行扫描，可以实现非常高的扫描频率。现在用于激光扫描投影的MEMS芯片扫描频率可以达到40kHz，相当于一秒钟扫描4万次。

MEMS扫描微镜在激光扫描投影中的应用

采用MEMS微镜的激光应用涵盖消费电子、医疗、军事国防、通信等领域，具体包括激光扫描、光通信、数字显示、激光雷达、3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、光开关、激光微投影、汽车抬头显示（HUD）、激光键盘、增强现实（AR）等。

MEMS微镜的不同应用

驱动MEMS微镜扫描动作有不同的方式，可以分为利用电荷间库仑力作为驱动力的静电驱动；以低电压电流驱动的电磁驱动；利用材料对温度敏感产生不同形变量引起镜面扭转的电热驱动；以及利用材料逆压电效应，通过外界电场产生微位移的压电驱动等几类。

由于车载应用需要较大的MEMS镜面，镜面厚度也需要相应增加，导致微镜扫描时的质量增加，降低了MEMS振镜抗振动和冲击的能力，甚至出现转轴断裂的情况。如果采用新型电磁驱动就可以使微镜更大、更结实。

MEMS微镜转轴断裂现象

通过不断改进，采用专利封装技术的“下磁铁-扫描微镜-上磁铁”的“垂直三明治”封装结构，相比侧边磁铁结构，作用在驱动线圈上的磁感应强度提高了8倍。在达到相同转角情况下，微镜有更大的驱动力矩T，能够驱动的扫描轴更厚更宽，器件扫描频率可以更高，器件抗振动冲击能力也更好。这样，就为汽车应用提供了稳固的基础。

“垂直三明治”驱动结构

与机械式相比，MEMS的优势很多，如安装简单、体积更小、价格便宜，最有希望在乘用车上普及。机械式雷达是在一个台子上面放激光探测器，64线需要64组激光器和探测器一一对应，然后供电让它转起来，电源、信号要通过转台连到下面的电路，所以它是一个非常复杂的光学和电学系统，不利于大规模的量产。

激光雷达脉冲发射方式比较

MEMS激光雷达只需要一个激光器和MEMS微镜组合就能实现激光脉冲的扫描，装配起来很简单。从成本考虑，由于采用半导体工艺，量大了成本也会很便宜。另外，从分辨率考虑，比如MEMS激光雷达实现64线，只需要MEMS微镜把单个激光器发出的脉冲扫描成的点阵能组成64条线就可以了，所以非常容易实现高分辨率，体积也非常小。未来MEMS激光雷达的成本有望控制在千元人民币以内。

MEMS激光雷达原理

MEMS微型泵

微型泵的最早且最广为人知的用途是喷墨技术。一个空的空腔位于打印头中每个喷嘴的后面。墨水流入空腔，当被微小的加热元件加热时，墨水会从喷嘴喷到等待的纸张上。自动化的药物输送系统通常也使用微型泵。

MEMS应用

MEMS技术是一个新兴技术领域，主要属于微米技术范畴。MEMS技术的发展已经历了10多年时间，大都基于现有技术，用由大到小的技术途径制作出来的，发展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已显示出了巨大的生命力。MEMS技术的发展有可能会像微电子一样，对科学技术和人类生活产生革命性的影响，尤其对微小卫星的发展影响更加深远，必将为大批量生产低成本高可靠性的微小卫星打开大门。

MEMS的特点

MEMS系统器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微小空间场合，而且意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的尺寸通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。80[%]以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低。在单一芯片内实现机电集成也是MEMS独有的特点。单片集成系统能够避免杂合系统中有各种连接所带来的电路寄生效应，因此可达到更高的性能并更加可靠，单片集成有利于节约成本。组件装配特别困难，目前许多MEMS都是设计成不需要装配或者具有自装配功能的系统。MEMS构件的加工绝对误差小，使用的材料也较为单一，三维加工能力明显不足。

MEMS的应用前景

MEMS技术的发展已经开辟了一个全新的技术领域和产业，基于MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18[%]，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

MEMS传感器发展历程

MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变 形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。

第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的‘片上实验室’生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

近来对MEMS关注的提高部分来自于表面微加工技术，它把牺牲层（结构制作时使其它层分开的材料）在最后一步溶解，生成悬浮式薄移动谐振结构。

很多MEMS应用要求与传统的电子制造不同，如包含更多步骤、背面工艺、特殊金属和非常奇特的材料以及晶圆键合等等。确实，许多场合尤其是在生物和医疗领域，都不把硅片作为基底使用，很多地方选用玻璃和塑料，出于降低成本原因经常用塑料制成一次性医疗器械。

但对众多公司和研究机构来说，微电子中现有的CMOS、SiGe和GaAs等工艺是开发MEMS的出发点。从理论上讲，将电路部分和MEMS集成在同一芯片上可以提高整个电路的性能、效率和可靠性，并降低制造和封装成本。

提高集成度的一个主要途径是通过表面微加工方法，在微电子裸片顶部的保留区域进行MEMS结构后处理。但是必须考虑温度对前面已制造完成的微电子部分的破坏，所以对单片集成来讲，在低温下进行MEMS制造是一个关键。

多年来人们一直在讨论CMOS和MEMS集成的问题，但目前唯一批量生产的集成工艺只有美国模拟器件公司（ADI）的ADXL-50加 速器。同样的功能摩托罗拉要用两个芯片完成，其中一个是MEMS，另一个是封装好的集成微电子器件。

这些争论经常在微电子业中提起。值得注意的是模拟和混合信号在微电子中常常放于不同的裸片上作为电路集成到一个封装里，同样，智能功率电子经常 采用多芯片解决方案实现，尽管其他人极力吹捧智能功率工艺技术的好处。此外赞成与反对将机械结构和大量电子装置集成在一起的理由也都非常复杂。

这主要是因为微电子的标准封装开发很快，引脚数和连接方法的变化在本质上也是标准的。而MEMS则不同，其环境参数各种各样，某些封装不能透光而另一些必须让光照到芯片表面，某些封装必须在芯片上方或后面保持真空，而另一些则要在芯片周围送入气体或液体。

人们认识到不可能给各种MEMS应用开发一种标准封装，但也非常需要业界对每种应用确定一种标准封装及其发展方向。如果能使用标准工艺，即使是改进的最基本IC工艺也有很多优点，因此硅片MEMS、MOEMS（微光机电系统）和常规IC制造之间的区别只是程度不同。

对于能负担深亚微米CMOS工艺技术研究的大型芯片制造商来说，MEMS的吸引力在于能使旧的工艺技术和经多年制造已摊销完了的晶圆厂产生更多利润。换言之，微电子领域快淘汰的工艺在硅片MEMS制造中可以成为领先技术。

通过几个‘锚点’（anchor point）将硅片结构焊接在基底上，但可以在与基底本身平行的平面上自由移动。为了与传统塑封技术兼容，在传感元件上部放置一个封帽以避免成型时对移动部件造成污染。

微驱动部件也使用类似的工艺，但没有封帽，而是增加一个灵活的钝化层。Onix在微镜部件上则使用第三种工艺，这是因为Thelma的多晶硅没有制造镜面抛光的单晶硅好。

MEMS当作一门截然不同的工程学科来对待。但是不要指望MEMS会像微