干貨：有關MEMS的最詳細介紹

　　雖然大部分人對于MEMS（Microelectromechanical systems， 微機電系統(tǒng)/微機械/微系統(tǒng)）還是感到很陌生，但是其實MEMS在我們生產，甚至生活中早已無處不在了，智能手機，健身手環(huán)、打印機、汽車、無人機以及VR/AR頭戴式設備，部分早期和幾乎所有近期電子產品都應用了MEMS器件。

　　MEMS是一門綜合學科，學科交叉現(xiàn)象及其明顯，主要涉及微加工技術，機械學/固體聲波理論，熱流理論，電子學，生物學等等。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米，相比之下頭發(fā)的直徑大約是50微米。MEMS傳感器主要優(yōu)點是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統(tǒng)機械傳感器，在各個領域幾乎都有研究，不論是消費電子產品、汽車工業(yè)、甚至航空航天、機械、化工及醫(yī)藥等各領域。常見產品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴增微系統(tǒng)，催化傳感器。

　　MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。 MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。批量制造能顯著降低大規(guī)模生產的成本。若單個MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個8英寸（直徑20厘米）硅片（wafer）可切割出約1000個MEMS傳感器芯片（圖1），分攤到每個芯片的成本則可大幅度降低。因此MEMS商業(yè)化的工程除了提高產品本身性能、可靠性外，還有很多工作集中于擴大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數(shù)，以及盡可能地縮傳感器大小。

　　圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖

　　圖2. 硅片，其上的重復單元可稱為芯片（chip 或die）

　　MEMS需要專門的電子電路IC進行采樣或驅動，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個封裝內可以簡化工藝，如圖3。不過具有集成可能性是MEMS技術的另一個優(yōu)點。正如之前提到的，MEMS和ASIC （專用集成電路）采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而，集成二者難度還是非常大，主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高溫工藝，而高溫工藝將會破壞IC的電學特性，甚至熔化集成電路中低熔點材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。雖然難度很大，但正在逐步實現(xiàn)。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS 產品。一個成功的例子是ADXL203，圖4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經過信號調理的電壓輸出，所有功能均集成于一個單芯片IC中。這些器件的滿量程加速度測量范圍為±1.7 g，既可以測量動態(tài)加速度（例如振動），也可以測量靜態(tài)加速度（例如重力）。（ADXL203 精密±1.7g 雙軸iMEMS? 加速度計數(shù)據(jù)手冊及應用電路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）

　　圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個封裝內（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; G?ran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS and ICs，Microsystems & Nanoengineering， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems & Nanoengineering）

　　圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

　　NEMS（納機電系統(tǒng)）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 納機電系統(tǒng)）與MEMS類似，主要區(qū)別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度（小尺寸效應），比MEMS更高的表面體積比可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭?，（表面效應），且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。

　　首個NEMS器件由IBM在2000年展示， 如圖5所示。 器件為一個 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術加工而成（MEMS中采用應用較多的有體加工技術，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術，關于微加工技術將會在之后的專題進行介紹）。該器件設計用來進行超高密度，快速數(shù)據(jù)存儲，基于熱機械讀寫技術（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質。該數(shù)據(jù)存儲技術來源于AFM（原子力顯微鏡）技術，相比磁存儲技術，基于AFM的存儲技術具有更大潛力。

　　快速熱機械寫入技術（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖6），‘寫入’時通過加熱的針尖局部軟化/融化polymer，同時施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來代表一個bit。加熱時通過一個位于針尖下方的阻性平臺實現(xiàn)。對于‘讀’，施加一個固定小電流，溫度將會被加熱平臺和存儲介質的距離調制，然后通過溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。

　　圖5. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm

　　圖6.快速熱機械寫入技術示意圖

　　通信/移動設備

　　圖7. 智能手機簡化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features，http://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge）

　　在智能手機中，iPhone 5采用了4個 MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了八個MEMS傳感器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BM［280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器，環(huán)境光傳感器（來自AMS的TSL2581 ）和MEMS麥克風。iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個MEMS麥克風。預計將來高端智能手機將采用數(shù)十個MEMS器件以實現(xiàn)多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為LTE技術亮點部分，將利用MEMS天線開關和數(shù)字調諧電容器實現(xiàn)多頻帶技術。

　　以智能手機為主的移動設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗。這些傳感器并非手機等移動/通信設備獨有，在本文以及后續(xù)文章其他地方所介紹的加速度、化學、人體感官傳感器等可以了解相關信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關MEMS器件。

　　通信系統(tǒng)中，大量不同頻率的頻帶被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開頻率的產生。聲表面波器件，作為一種片外（off-chip）器件，與IC集成難度較大。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線雙工器的中流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基于MEMS體聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技術能夠節(jié)省四分之三的空間。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒有運動部件，主要通過體積膨脹與收縮實現(xiàn)其功能。（另外一個非位移試MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件，例如基于相變材料的開關，加入不同電壓可以使材料發(fā)生相變，分別為低阻和高阻狀態(tài)，詳見后續(xù)開關專題）。

　　在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業(yè)部）賣的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時間天津大學在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于AlN氮化鋁壓電材料的沉積技術的巨大進步，AlN FBAR已經被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR （Solidly Mounted Resonator）。

　　圖8. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

圖9. SMR示意圖（非懸空結構，采用Bragg reflector布拉格反射層） （SAW/FBAR設備的工作原理及使用范例）