干货：有关MEMS的最详细介绍

干货有关MEMS的最详细介绍”.卜戈虽然大部分人对于MEMS（Microelectromechanicalsystems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5mmx5mm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（5mmX5mm）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-CMOScompaTIble（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4ADXL203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

1.7g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://analog/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（AndreasC.Fischer;FredrikForsberg;MarTInLapisa;SimonJ.Bleiker;GranStemme;NiclasRoxhed;FrankNiklausIntegraTIngMEMSandICsMicrosystemsNanoengineering2015Vol.l.IntegratingMEMSandICs MicrosystemsNanoengineering）图

4.ADXL203（单片集成了MEMS与IC）NEMS（纳机电系统）NEMS（Nanoelectromechanicalsystems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2Dcantileverarrayo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thermomechanicalwritingandreadout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Fastthermomechanicalwriting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HowMEMSEnableSmartphoneFeatureshttp://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge在智能手机中，iPhone5采用了4个MEMS传感器，三星GalaxyS4手机采用了八个MEMS传感器iPhone6Plus使用了六轴陀螺仪加速度计InvenSenseMPU-

6700、三轴电子罗盘AKMAK8963C、三轴加速度计BoschSensortecBMA280磁力计，大气压力计BoschSensortecBM[

280、指纹传感器AuthenTec的TMDR

92、距离传感器，环境光传感器（来自AMS的TSL2581）和MEMS麦克风iphone6s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）o也是前段时间天津大学在美国被抓的zhanghao研究的东西得益于A1N氮化铝压电材料的沉积技术的巨大进步，AINFBAR已经被运用在iphone上作为重要滤波器组件下图为FBAR和为SMR（SolidlyMountedResonator）o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Braggreflector布拉格反射层）（SAW/FBAR设备的工作原理及使用范例）。