干货：有关MEMS的最详细介绍

　　虽然大部分人对于MEMS（Microelectromechanical systems，微机电系统/微机械/微系统）还是感到很陌生，但是其实MEMS在我们生产，甚至生活中早已无处不在了，智能手机，健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备，部分早期和几乎所有近期电子产品都应用了MEMS器件。

　　MEMS是一门综合学科，学科交叉现象及其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，电子学，生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，相比之下头发的直径大约是50微米。MEMS传感器主要优点是体积小、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械传感器，在各个领域几乎都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、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之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。 MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。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），分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作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. 硅片，其上的重复单元可称为芯片（chip 或die）

　　MEMS需要专门的电子电路IC进行采样或驱动，一般分别制造好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技术的另一个优点。正如之前提到的，MEMS和ASIC （专用集成电路）采用相似的工艺，因此具有极大地潜力将二者集成，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。然而，集成二者难度还是非常大，主要考虑因素是如何在制造MEMS保证IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高温工艺，而高温工艺将会破坏IC的电学特性，甚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术，因为成为一种广泛使用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，许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203，图4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，所有功能均集成于一个单芯片IC中。这些器件的满量程加速度测量范围为±1.7 g，既可以测量动态加速度（例如振动），也可以测量静态加速度（例如重力）。（ADXL203 精密±1.7g 双轴iMEMS® 加速度计数据手册及应用电路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）

　　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（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）

　　图4. ADXL203（单片集成了MEMS与IC）

　　NEMS（纳机电系统）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems，纳机电系统）与MEMS类似，主要区别在于NEMS尺度/重量更小，谐振频率高，可以达到极高测量精度（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测量手段的潜力。

　　首个NEMS器件由IBM在2000年展示，如图5所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器件采用表面微加工技术加工而成（MEMS中采用应用较多的有体加工技术，当然MEMS也采用了不少表面微加工技术，关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍）。该器件设计用来进行超高密度，快速数据存储，基于热机械读写技术（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM（原子力显微镜）技术，相比磁存储技术，基于AFM的存储技术具有更大潜力。

　　快速热机械写入技术（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（图6），‘写入’时通过加热的针尖局部软化/融化polymer，同时施加微小压力，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。对于‘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距离调制，然后通过温度变化读取bit。而温度变化可通过热阻效应（温度变化导致材料电阻变化）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化）读取。

　　图5. IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图（SEM）其针尖小于20nm

　　图6.快速热机械写入技术示意图

　　通信/移动设备

　　图7. 智能手机简化示意图（How MEMS Enable Smartphone Features，http://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge）

　　在智能手机中，iPhone 5采用了4个 MEMS传感器，三星Galaxy S4手机采用了八个MEMS传感器。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&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 BM［280）、指纹传感器（Authen Tec的TMDR92）、距离传感器，环境光传感器（来自AMS的TSL2581 ）和MEMS麦克风。iphone 6s与之类似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个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技术亮点部分，将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。

　　以智能手机为主的移动设备中，应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/通信设备独有，在本文以及后续文章其他地方所介绍的加速度、化学、人体感官传感器等可以了解相关信息，在此不赘叙。此处主要介绍通信中较为特别的MEMS器件，主要为与射频相关MEMS器件。

　　通信系统中，大量不同频率的频带被使用以完成通讯功能，而这些频带的使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中流砥柱。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），该技术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，主要通过体积膨胀与收缩实现其功能。（另外一个非位移试MEMS典型例子是依靠材料属性变化的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（前安捷伦半导体事业部）卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器（FBAR）。也是前段时间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术的巨大进步，AlN FBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR （Solidly Mounted Resonator）。