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2023年05月09日 17:45

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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

资料来源：Vesper

图2 MEMS传感器工作原理

资料来源：前瞻产业研究院

图3 MEMS传感器分类

资料来源：赛迪顾问

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会像微电子在20世纪60和70年代那样突然兴旺起来，MEMS领域仍然变化多端且困难重重。MEMS是微电子加微机械，在所有工业领域具有上百种应用。从这点来看可以期望MEMS市场的长期发展会比‘纯粹的’微电子要好，随着代工服务的发展，工程师将越来越多地使他们的设计适应工艺技术。也许MEMS现在能起飞最重要的原因是微机械分析的复杂性随着千兆赫兹处理器的出现在工程师桌面就能解决，留下的一个问题将是MEMS技术有无足够的时间在其享受胜利果实之前把‘纳米技术’远远抛在后面。

MEMS发展历程核心事件

1948年，贝尔实验室发明锗晶体管(William Shockley)
1954年，锗和硅的压阻效应(C.S.Smith)
1958年，第一块集成电路(IC)(J.S.Kilby 1958年/Robert Noyce 1959年)
1959年，"底部有很多空间"(R.Feynman)
1959年，展示了第一个硅压力传感器(Kulite)
1967年，各向异性深硅蚀刻(H.A.Waggener等)
1968年，谐振门晶体管获得专利(表面微加工工艺)(H.Nathanson等)
1970年，批量蚀刻硅片用作压力传感器(批量微加工工艺)
1971年，发明微处理器
1979年，惠普微加工喷墨喷嘴
1982年，"作为结构材料的硅"(K.Petersen)
1982年，LIGA进程(德国KfK)
1982年，一次性血压传感器(霍尼韦尔)
1983年，一体化压力传感器(霍尼韦尔)
1983年，"Infinitesimal Machinery"，R.Feynman。
1985年，传感器或碰撞传感器(安全气囊)
1985年，发现"Buckyball"
1986年，发明原子力显微镜
1986年，硅片键合(M.Shimbo)
1988年，通过晶圆键合批量制造压力传感器(Nova传感器)
1988年，旋转式静电侧驱动电机(Fan、Tai、Muller)
1991，年多晶硅铰链(Pister、Judy、Burgett、Fearing)。
1991年，发现碳纳米管
1992年，光栅光调制器(Solgaard、Sandejas、Bloom)
1992年，批量微机械加工(SCREAM工艺，康奈尔)
1993年，数字镜像显示器(德州仪器)
1993年，MCNC创建MUMPS代工服务
1993年，首个大批量生产的表面微加工加速度计(Analog Devices)
1994年，博世深层反应离子蚀刻工艺获得专利
1996年，Richard Smalley开发了一种生产直径均匀的碳纳米管的技术
1999年，光网络交换机(朗讯)
2000年代，光学MEMS热潮
2000年代，BioMEMS激增
2000年代，MEMS设备和应用的数量不断增加。
2000年代，NEMS应用和技术发展

MEMS的相关技术

1、微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

2微细加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外线的准LIGA加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

3微型机械组装和封装技术主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术。

4微系统的表征和测试技术主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种。

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。

第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。

上述第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。LIGA技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此也是一种比较重要的MEMS加工技术。LIGA技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。第一种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。下面主要介绍LIGA和硅MEMS技术。

LIGA技术：LIGA技术是将深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。LIGA技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。

LIGA技术为MEMS技术提供了一种新的加工手段。利用LIGA技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，而用它制造的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。

硅基MEMS技术：以硅为基础的微机械加工工艺也分为多种，传统上往往将其归纳为两大类，即体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。

在以硅为基础的MEMS加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液主要有EPW和KOH等，EPW和KOH对浓硼掺杂硅的腐蚀速率很慢，因此可以利用各向异性腐蚀和浓度选择腐蚀的特点将硅片加工成所需要的微机械结构。利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点，采用干法等离子体刻蚀技术已经成为微机械加工技术的主流。

随着集成电路工艺的发展，干法刻蚀深宽比大的硅槽已不再是难题。例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。

在MEMS工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。

MEMS的发展趋势

1研究方向多样化和纵深化MEMS技术的研究日益多样化，MEMS技术涉及军事、民用等各个领域。从研究深度上来说，MEMS的发展规律是产生比传统机电系统更高级的产品。例如微光机电系统（MOEMS）就是微机电系统与光学技术相结合，有希望解决全光交换机的光通信瓶颈。目前开展的MOEMS项目主要有：可调谐光器件——利用MOEMS技术可制造出可动腔镜，获得很大的调谐范围，与半导体激光器集成成为可调谐激光源；光可变衰减器和光调制器——MOEMS通过微档板插入光纤间隙的深度控制两光纤的耦合程度，实现可变光衰减；光开关和光开关阵列——MOEMS将机构结构、微触动器、微光学元件集成在同一衬底上，具有操纵方便、插入损耗小、串音干扰低等特点。MOEMS的目标是制成全光功能模块和系统，如全光终端机、全光交换机等。

2加工工艺多样化加工工艺有传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合相结合的加工工艺、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等，具体的加工手段更是多种多样。

3系统的进一步集成化和多功能化集成化、智能化和多功能化的微系统将有最好的性能，在军事、医学和生物研究、核电等领域有着诱人的应用前景。4.4MEMS器件芯片制造与封装统一考虑MEMS器件与集成电路芯片的主要不同在于：MEMS器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以，MEMS器件芯片制造与封装应统一考虑。

5普通商用低性能MEMS器件与高性能特殊用途MEMS器件并存以加速计为例，既有大量的只要求精度为0.5g以上的，可广泛运用于汽车安全气囊等具有很高经济价值的加速度计，也有要求精度为10-8的，可应用于航空、航天等高科技领域的加速度计。

MEMS工艺

MEMS工艺以成膜工序、光刻工序、蚀刻工序等常规半导体工艺流程为基础。

下面介绍MEMS工艺的部分关键技术。

晶圆

SOI晶圆

SOI是Silicon On Insulator的缩写，是指在氧化膜上形成了单晶硅层的硅晶圆。已广泛应用于功率元件和MEMS等，在MEMS中可以使用氧化膜层作为硅蚀刻的阻挡层，因此能够形成复杂的三维立体结构。

TAIKO磨削　“TAIKO”是DISCO株式会社的商标

TAIKO磨削是DISCO公司开发的技术，在磨削晶圆时保留最外围的边缘，只对其内侧进行磨削。

TAIKO磨削与通常的磨削相比，具有“晶圆曲翘减少”、“晶圆强度更高”、“处理容易”、“与其他工艺的整合性更高”等优点。

晶圆粘合/热剥离片工艺

通过使用支撑晶圆和热剥离片，可以轻松对薄化晶圆进行处理等。

晶圆键合

晶圆键合大致分为“直接键合”、“通过中间层键合”2类。

直接键合不使用粘合剂等，是利用热处理产生的分子间力使晶圆相互粘合的键合，用于制作SOI晶圆等。
通过中间层键合是借助粘合剂等使晶圆互相粘合的键合方法。

蚀刻

各向同性蚀刻与各向异性蚀刻

通过在低真空中放电使等离子体产生离子等粒子，利用该粒子进行蚀刻的技术称为反应离子蚀刻。

等离子体中混合存在着携带电荷的离子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蚀刻、利用离子的各向异性蚀刻两种蚀刻作用。

硅深度蚀刻

集各向异性蚀刻和各向同性蚀刻的优点于一身的博世工艺技术已经成为了硅深度蚀刻的主流技术。

通过重复进行Si蚀刻⇒聚合物沉积⇒底面聚合物去除，可以进行纵向的深度蚀刻。
侧壁的凹凸因形似扇贝，称为“扇贝形貌”。

成膜

ALD（原子层沉积）
ALD是Atomic Layer Deposition（原子层沉积）的缩写，是通过重复进行材料供应（前体）和排气，利用与基板之间的表面反应，分步逐层沉积原子的成膜方式。
通过采用这种方式，只要有成膜材料可以通过的缝隙，就能以纳米等级的膜厚控制，在小孔侧壁和深孔底部等部位成膜，在深度蚀刻时的聚合物沉积等MEMS加工中形成均匀的成膜。

主流CVD MEMS加工技术

CVD 加工工艺是制作微传感器、微执行器和 MEMS加工的主流技术 ,是近年来随着集成电路工艺发展起来的 ,它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术 ,目前越来越多地用于 MEMS 的加工中 ,例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化学气体淀积、外延、扩散、腐蚀、光刻等。在以硅为基础的 MEMS 加工工艺中 ,主要的加工工艺有腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等。

MEMS生产中的薄膜指通过蒸镀、溅射、沉积等工艺将所需物质铺盖在基片的表层，根据其过程的气相变化特性，可分为PVD与CVD两大类。

电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内膜材，使膜材表面原子蒸发进而沉积在基片上；以FATRI UTC电子束蒸镀机在MEMS制造过程的功用来说，其主要用来蒸镀Pt、Ni、Au等。

而磁控溅射是在高真空(10-5Torr)的环境下，导入惰性气体（通常是Ar）并在电极两端加上高电压、产生辉光放电(Glow discharge)。Ar原子被电离成Ar+和电子。在电场作用下Ar+加速飞向靶材(target)，与靶材发生碰撞，溅射出大量的靶材原子，靶材原子沉积在基片上。在FATRI UTC 的MEMS 生产过程中，其可溅射Al、C0、Fe、的合金等。

CVD工艺又可细分APCVD，LPCVD及PECVD；在MEMS制造中我们通常使用PECVD机台(见下图)来制造SiO2、Si3N4 或 SiC。其工艺是在较低的温度下借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。

MEMS市场常见产品与应用

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. 从硅原料到硅片过程。硅片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（MEMS & IC）均集成于一个单芯片中。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）。

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. 智能手机简化示意图

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 BMP280）、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、化学元素、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（例如不同国家，不同公司间使用不同的频率，2G，3G，LTE，CDMD以及蓝牙，wifi等等不同技术使用不同的通信频率）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。（另外一个非位移式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)。其原理主要通过固体声波在上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(非悬空结构，采用Bragg reflector布拉格反射层)

如果所示，其中的红色线条表示震动幅度。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，接近于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，因此部分能量向下泄露。

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。

上图所示为消除杂波前后等效导纳（即阻抗倒数，或者简单理解为电阻值倒数）。消除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。

图示为若干FBAR连接起来形成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒对比，该滤波器比米粒还要小上许多。

2、可穿戴/植入式领域

图10. 用户与物联网

可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一部分，主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式（目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平）直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注，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过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触，提升消费者科技感，更受年轻用户喜爱，例子可见Fitbit等健身手环。

该领域最重要的主要有三大块：消费、健康及工业，我们在此主要讨论更受关注的前两者。消费领域的产品包含之前提到的健身手环，还有智能手表等。健康领域，即医疗领域，主要包括诊断，治疗，监测和护理。

比如助听、指标检测（如血压、血糖水平），体态监测。MEMS几乎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，各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度，速度，适用性都可以达到较高水平，同时由于其体积优势可直接植入人体，是医疗辅助设备中关键的组成部分。

传统大型医疗器械优势明显，精度高，但价格昂贵，普及难度较大，且一般一台设备只完成单一功能。相比之下，某些医疗目标可以通过MEMS技术，利用其体积小的优势，深入接触测量目标，在达到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。

以近期所了解的一些MEMS项目为例，通过MEMS传感器对体内某些指标进行测量，同时MEMS执行器（actuator）可直接作用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能量收集器进行无线供电，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，不过离成熟运用还有不短的距离，尤其考虑到技术难度，可靠性，人体安全等。

图11. MEMS实现人体感官功能

可穿戴设备中最著名，流行的便数苹果手表了，其实苹果手表和苹果手表结构已经非常相似了，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. 苹果手表示意图

3、投影仪

投影仪所采用的MEMS微镜如图13,14所示。其中扫描电镜图则是来自于TI的Electrostatically-driven digital mirrors for projection systems。

每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑，通过改变外部激励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度，将入射光线向特定角度反射。

大量微镜可以形成一个阵列从而进行大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以通过许多方式实现，一种简单的方式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采用的是静电驱动方式，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 微镜结构示意图

德州仪器的数字微镜器件(DMD)，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。

TI有一个非常非常具体生动的视频介绍该产品，你可以在这个视频中看到整个微镜阵列如何对光进行不同角度的折射。

图15 微镜反射光线示意图

4、MEMS 加速度计

加速度传感器是最早广泛应用的MEMS之一。MEMS，作为一个机械结构为主的技术，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的工作原理），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。通过一些换能技术可以将位移转换为电能，如果采用电容式传感结构（电容的大小受到两极板重叠面积或间距影响），电容大小的变化可以产生电流信号供其信号处理单元采样。通过梳齿结构可以极大地扩大传感面积，提高测量精度，降低信号处理难度。加速度计还可以通过压阻式、力平衡式和谐振式等方式实现。

图15 MEMS加速度计结构示意图

图16 MEMS加速度计中位移与电容变化示意图

汽车碰撞后，传感器的proof mass产生相对位移，信号处理单元采集该位移产生的电信号，触发气囊。更直观的效果可以观看视频。

图17. 汽车碰撞后加速度计的输出变化。

实物图，比例尺为20微米，即20/1000毫米。

5、打印喷嘴

一种设计精巧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。具体过程为：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，从而隔绝左右侧液体，保持右侧液体高压力使其喷射。喷射后气泡破裂，液体重新填充该腔体。

图18. 采用气泡膨胀的喷墨式MEMS

图19. HP生产的喷墨式MEMS相关产品

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动来挤压墨水出来：

6、开关/继电器

MEMS继电器与开关。其优势是体积小（密度高，采用微工艺批量制造从而降低成本），速度快，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。

其尺寸微小，接近于固态开关，而电路通断采用与机械接触（也有部分产品采用其他通断方式），其优势劣势基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁，主要采用静电致动原理，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现象）。pull in现象在宏观世界同样存在，但是通过计算可以得知所需的阈值电压高得离谱，所以我们日常中几乎不会看到。