关于MEMS技术的原理和性能分析

什么是MEMS？

微机电系统（MEMS），在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米——1微米可是要比人们头发的直径小很多。

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。

今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。

我们为何需要MEMS？

“他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。但这也没什么；这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小世界。公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。”

——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。

在这个经典的带预言性质的演讲《底部仍然存在充足的空间》中，理查德·费曼继续描述我们如何在针尖上写出大英百科全书的每一卷。但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？

(编者注：理查德·费曼（1918年5月11日－1988年2月15日），费曼是十九世纪末，俄罗斯和波兰犹太人移民到美国的后裔。美国物理学家。1965年诺贝尔物理奖得主。提出了费曼图、费曼规则和重正化的计算方法，是研究量子电动力学和粒子物理学不可缺少的工具。费曼被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人)

MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。如前所述，MEMS规模的器件，小到可以使用与目前集成电路类似的批量生产工艺制造。如同集成电路产业一样，批量制造能显著降低大规模生产的成本。在一般情况下，微机电系统也需要非常量小的材料以进行生产，可进一步降低成本。

除了价格更便宜，MEMS器件也比它们更大等价物的应用范围更广。在智能手机、相机、气囊控制单元或类似的小型设备中，竭尽所能也设计不出金属球和弹簧加速度计；但通过减小了几个数量级，MEMS器件可以用在容不下传统传感器的应用中。

图1：TI的数字微镜像素，拆解视图。德州仪器版权所有。

易于集成是MEMS技术的另一个优点。因为它们采用与ASIC制造相似的制造流程，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集成在一个真正的一体化器件中虽然挑战性很大，但并非不可能，而且在逐步实现。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。

德州仪器的数字微镜器件（DMD）就是其中一个案例。DMD是TI DLP 技术的核心，它广泛应用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜使用其与其下的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。颜色通过使用三芯片方案（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。采用后者技术的设计通过色环的旋转与DLP芯片同步，以连续快速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完整光谱的图像。

或许MEMS技术的一个最有趣特性是设计师得以展示在如此小规模的物理域中发掘物理独特性的能力——这一主题随后将再次谈及。

图2：简化的MEMS加速度计

MEMS现状

基于各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功，其中许多器件已经获得广泛应用。汽车工业是MEMS技术的主要驱动力之一。例如MEMS振动结构陀螺仪，是一款新的相当便宜的设备，目前用于汽车防滑或电子稳定控制系统中。村田电子的SCX系列MEMS加速度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功能集成在一个单芯片中可助力特定的汽车应用---因为它们的精度要求可能会非常高。基于MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在几乎所有汽车中已经普遍取代了机械式碰撞传感器。图2显示了一个简化的MEMS加速度计示例，同碰撞传感器中使用的类似。一个带有一定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为弹簧。当传感器沿梁的轴线加速时，该梁会移动一段距离，这段距离可以通过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容变化来测量。

许多商用和工业用喷墨打印机使用基于MEMS技术的打印机喷头，保持这些墨滴并在需要时精确地放下这些墨滴——这一技术被称为按需投放（DoD）。墨滴放置在横跨压电材料（比如 lead zirconatetitanate,）组成的元件中，通过施加的电压来进行挤压。这增加了打印头墨水室的压力，通过施力形成一个非常小量（相对压缩）的墨水，并从喷嘴中喷出。

图3：基于MEMS按需投放的打印机头

与此同时，其它一些MEMS技术才刚开始大规模进入市场。微机械继电器（MMR），比如欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度前所未有。欧姆龙发挥了自己的微机电系统专业优势，为市场带来新款温度传感器:D6T非接触式MEMS温度传感器。该D6TMEMS制作过程中集成了ASIC和热电堆元件，所以这种小型化的非接触式温度传感器大小仅为18×14×8.8毫米（4x4元件类型）。

当然，当前的MEMS技术不限于单个传感器器件，考虑一下人的感官：单只眼带给我们颜色、运动和（一些）位置信息，而两只眼睛将带来双眼视觉，改善立体感知。事实上，我们的许多感知体验需要感官的组合，这样的感知才是最终有意义的。我们的思路是，通过将传感数据组合起来，可以弥补单个感官器官的弱点和缺点，并达到某种程度上最佳的环境理解。在人类领域，这就是所谓的“多通道整合”;而在电子领域，这就是所谓的传感器融合。传感器融合，特别是当它涉及到MEMS时，是移动设备中传感器技术的一个重要的进展。许多制造商已经开始提供完整的解决方案，如飞思卡尔面向Win8的12轴Xtrinsic传感器平台。该平台集成了3轴加速度计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪，环境光传感器,并带有一个ColdFire + MCU，以提供一个完全硬件解决方案——还打包提供专用的传感器融合软件。

随着MEMS器件的优势获得认可，MEMS市场步伐也在持续加快。据YoleDéveloppement2012年MEMS产业报告中所述，在接下来6年，MEMS“将继续保持平稳、持续的两位数增长”，2017年全球市场价值将达到210亿美元。

MEMS设计与制造

“有趣的是，这样小的机器会遇到什么问题。首先，如果各部分压力维持相同程度，力随面积减小而变化，这样重量以及惯性等将相对无足轻重。换句话说，材料的强度所占比重将增加。比如，随着我们减小尺寸，除非旋转速度同比增加，飞轮离心力导致的压力和膨胀才能维持相同比例。“

——理查德·费曼，“底部仍然存在充足的空间”

缩放和小型化

MEMS设计和制造的介绍往往起始于对缩放和小型化的回顾。例如，如果我们问，为什么不能简单地将一个空气压缩机或吊扇收缩到跳蚤大小的规模？答案是压缩定律。跳蚤大小的吊扇与一个1000倍大的正常大小的风扇的运行方式不同，因为所涉及力之间的相互强度发生了变化。比例因子，S，有助于理解这中间发生了什么变化。

考虑一个矩形，其面积等于长度和宽度的乘积;如果矩形按比例因子缩小100（即长度/ 100和宽度/ 100），该矩形的面积缩小为原来（1/100）^2= 1/10000。因此，面积的比例因子是S2。同样，体积的比例因子是S3——因此随着缩放越来越小，体积的影响比表面（面积）的影响更大。

在一个给定的规模上，谨慎考虑不同力的比例因子可以揭示其中最相关的物理现象。表面张力的比例因子是S1，压力以及静电相关的力是S2，磁场力是S3，以及重力为S4。这就解释了水黾（或“水臭虫”）为什么可以在水面上行走，以及为何一对滚球轴承的表现与一个双星系统不同。虽然任何设计中都须要开发完整的数学模型，但比例因子有助于指导我们如何设计MEMS大小的器件。

子系统建模

由于亚毫米器件的直观性不强，模型对MEMS设计来说非常必要。一般来说，一个完整的微机电系统太过复杂，难以从整体上进行模型分析，因此，通常须要将该模型划分为多个子系统。

子系统建模的其中一种方式是按功能进行分类，比如传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模采用了这种方法，将系统的物理部分表示为理想化特征的分离元件。电子电路以同样的方式进行建模，使用理想化的电阻、电容、二极管以及各种复杂元件。据我们了解，在可以的情况下，电路建模时电气工程师会使用大大简化的基尔霍夫电路定律，而不是使用麦克斯韦方程。

再次，如同电子领域一样，系统可以使用框图进行更抽象的建模。在该层次上，可以非常方便地将每个元件的物理特性放置在一边，而仅使用传递函数来描述系统。这种MEMS模型将更有利于控制理论技术，这是最高性能设计的一套重要工具。

设计集成

尽管标准IC设计通常由一系列步骤组成，但MEMS设计则截然不同；设计、布局、材料以及MEMS封装本质上是交织在一起的。正因为如此，MEMS设计比IC设计更复杂——通常要求每一个设计“阶段”同步发展。

MEMS封装过程可能是与CMOS设计分歧最大的地方。 MEMS封装主要是指保护设备免受环境损害，同时还提供一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。 MEMS传感器通常须要进行应力测量，过大的应力可能因器件变形及传感器漂移而影响正常功能。

每个MEMS设计的封装往往是唯一的，并且必须进行专门设计。众所周知，在产业中封装成本占总成本的很大一部分——在某些情况下会超过50％。

MEMS封装没有统一标准，仅最近就有多种封装技术涌现，其中包括MEMS晶圆级封装（WLP）和硅通孔（TSV）技术。

制造

源自微电子，MEMS制造的优势在于批处理。就像其它任何产品，MEMS器件规模量产加大了它的经济效益。如同集成电路制造，MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益，当然也是最常用的技术。然而，其它处理方式，同时兼具优点和缺点，也在使用，包括化学/物理气相沉积（CVD/ PVD）、外延和干法蚀刻。

尽管很大程度上取决于特定应用，但相比于其电子性能，MEMS器件中使用的材料更看重它们的机械性能。所需的机械性能可能包括：高刚度，高断裂强度和断裂韧性，化学惰性，以及高温稳定性。微光学机电系统（MOEMS）可能需要透明的基底，而许多传感器和作动器必须使用一些压电或压阻材料。

了解更多MEMS器件信息的一个很好来源是贸泽电子。此外，这里供应上百个MEMS器件，从振荡器、开关、麦克风和电容式触摸传感器到流量、位置、运动、压力、光学和磁性传感器。 MEMS技术将持续发展。 MEMS也将继续以实现工艺的尺寸大小进行缩放。