MEMS是什么技术 使用MEMS技术有什么好处

 　　MEMS是怎样的技术，哪些已经民用了？

　　首先先来解释什么是MEMS。Microelectromechanical Systems， 这个让老美念起来都绕口的词，中文叫做“微机械机电系统”。MEMS的飞速发展，是因为传统机电工艺制成的驱动器和传感器，在体积、价格、产能上无法适应电子消费、工业界、科学研究乃至军工的需求。上世纪80年代末，随着集成电路工业的迅速发展，把驱动器和传感器和集成电路芯片集成在一起， 就成为了科技发展的必然趋势，这也就促成了MEMS的诞生。

　　【传统机电工艺和MEMS的对比】

　　——传统的加速度计：

　　Endevco 公司的压电加速度计

　　体积比成年人的大拇指要大一点。如果再加上电路和读出设备，一般需要一个手提箱才能带着走。再看价格和产能，压电材料（常见的石英，陶瓷）需要很精确的传统工业加工技术，无法批量生产，价格也是MEMS加速度计的上千倍。

　　——传统的陀螺仪：

　　Northrop Grumman的军用半球形陀螺仪

　　可以从图中直观的看出其和一个美元quarter硬币的大小对比。为了保证性能，这样一个陀螺仪的产量之低，和价格之高也是可想而知的。

　　那么现在问题来了 - 我们总不能把这么大的加速度计和陀螺仪放在手机里面吧（除非我们都回到大哥大时代）。而正因为有了MEMS技术，我们手机里面的加速度计和陀螺仪可以变成是这样小的体积：

　　【使用MEMS技术的好处】

　　列举几个最重要的：

　　原材料价格低廉，产量充足。

　　大部分集成电路和MEMS的原材料是硅（Si），这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么？说的通俗一点，就是沙子。沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后，就变成了单晶硅，长这个样子：

　　这个长长的大柱子，直径可以是 1 inch （2.5 cm） 到 12 inch （30 cm），被切成一层层 500 微米厚的硅片 （英文：wafer，和威化饼同词），长这个样子：

　　批量生产 - 产能高，良品率高

　　MEMS驱动器和传感器大部分都含有微机械机构。试想一下，我们要检测一个一微米长的弹簧移动了一纳米（微米尺度的悬臂梁在纳米尺度的范围内移动），这种加工精度在传统机械加工工艺上面是难以实现的。正因为有了MEMS技术，现在我们可以使数以万计的MEMS芯片（有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工）出现在了每一片wafer上面，如下图所示。

　　这种批量生产（batch process）的过程目前已经全自动化控制，隔离了人为因素，确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制，从而提高了良品率。切片、封装之后，就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看，大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

　　纳米技术本身的优势。

　　曾几何时，微米和纳米技术被称为了科技的代言词，但大部分人根本不理解微米和纳米技术是什么。其实对于MEMS传感器来讲，最大的优势是体积和表面积的比数值小（体积：表面积）。我们都知道体积是跟长度的三次方，而面积是长度的二次方。所以把一个MEMS器件等比例缩小的结果就是体积：表面积会缩小，这样会使得MEMS器件的信噪比增加（也就是有好处）。

　　【MEMS“民用”工艺】

　　我觉得更常用的说法应该是“商用”MEMS工艺。与其对应的还有“军用”MEMS工艺，还有做科学研究用的“科研”MEMS工艺。

　　最成功的几个“商用”MEMS工艺其实屈指可数：

　　惯性传感器：加速度器和陀螺仪。代表公司及工艺：InvenSense的Nasiri工艺，ST Microelectronic的THELMA工艺，Analog Devices的IMU工艺，博世（Bosch）的Bosch Process。这个技术用在了导航方面，比如大疆无人机，虚拟现实和体感输入（智能手机、PlayStation手柄等），汽车安全气囊和ABS防抱死系统。

　　图： InvenSense的Nasiri工艺。其6轴惯性传感器用在了目前最新的iPhone6

　　喷墨打印机。代表公司及工艺：Epson的压电喷墨头，Canon的memjet（热驱动）。

　　图：Epson的压电喷墨头

　　投影仪DLP芯片。代表公司和工艺：Texas Instruments（德州仪器）的DLP （Digital Light Processing）技术，用在了目前全世界大于90%的投影仪当中。

　　图：TI的DLP技术

　　压力传感器。代表公司和工艺：ST Microelectronics和Bosch的压力传感器，用到了Piezoresistive压阻技术，用于GPS、登山手表和智能手机上。

　　图：Bosch的BMP180芯片。左边是ASIC电路，右边是压力传感器。可以看到，压力传感器东南西北四个方向都有压阻电阻，用来检测硅薄膜受到压力之后的形变。

　　麦克风。

　　MEMS的麦克风也是近几年才取代了过去磁感线圈式的麦克风。以美国的Knowles和中国的歌尔声学为主，MEMS麦克风已经基本替换了大部分手机中的传统麦克风。技术实现上也相对简单，其实就是一个打了很多孔的压力传感器。

　　图：Knowles用在iPhone中的麦克风

　　MEMS现在应用广泛、发展前景较好，但是它的可靠性和精度并不能达到某些传统工艺的标准，所以在军事和航天领域依然还是需要传统工艺来解决问题。