MEMS技術(shù)及其應(yīng)用詳解

　　MEMS器件目前主要應(yīng)用于汽車(chē)和消費(fèi)電子，未來(lái)在醫(yī)療、工業(yè)、航空航天市場(chǎng)也將逐漸普及。那么MEMS是什么？有什么特點(diǎn)？MEMS設(shè)計(jì)與制造面臨哪些困難？本文將會(huì)一一解答。

　　MEMS是什么？

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱(chēng)為微系統(tǒng)技術(shù)，或在日本被稱(chēng)為微機(jī)械，是一類(lèi)器件，其特點(diǎn)是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征長(zhǎng)度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發(fā)的直徑小很多。

　　MEMS往往會(huì)采用常見(jiàn)的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)械式。相反，它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。

　　今天很多產(chǎn)品都利用了MEMS技術(shù)，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測(cè)器等。

　　為何需要MEMS？

　　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們告訴我，目前市場(chǎng)上有一種裝置，通過(guò)它你可以在大頭針頭上寫(xiě)禱文。但這也沒(méi)什么；這是最原始的，只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個(gè)驚人的小世界。公元2000年，當(dāng)他們回顧當(dāng)前階段時(shí)，他們會(huì)想知道為何直到1960年，才有人開(kāi)始認(rèn)真地朝這個(gè)方向努力。”

　　——理查德·費(fèi)曼，《底部仍然存在充足的空間》發(fā)表于1959年12月29日于加州理工大學(xué)（Caltech）舉辦的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)。

　　在這個(gè)經(jīng)典的帶預(yù)言性質(zhì)的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費(fèi)曼繼續(xù)描述我們?nèi)绾卧卺樇馍蠈?xiě)出大英百科全書(shū)的每一卷。但我們可能會(huì)問(wèn)：為什么要在這樣一個(gè)微小尺上生成這些對(duì)象？

　?。ň幷咦ⅲ豪聿榈隆べM(fèi)曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費(fèi)曼是十九世紀(jì)末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國(guó)的后裔。美國(guó)物理學(xué)家。1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。提出了費(fèi)曼圖、費(fèi)曼規(guī)則和重正化的計(jì)算方法，是研究量子電動(dòng)力學(xué)和粒子物理學(xué)不可缺少的工具。費(fèi)曼被認(rèn)為是愛(ài)因斯坦之后最睿智的理論物理學(xué)家，也是第一位提出納米概念的人）

　　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務(wù)，同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這其中第一個(gè)以及最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是小型化。如前所述，MEMS規(guī)模的器件，小到可以使用與目前集成電路類(lèi)似的批量生產(chǎn)工藝制造。如同集成電路產(chǎn)業(yè)一樣，批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。在一般情況下，微機(jī)電系統(tǒng)也需要非常量小的材料以進(jìn)行生產(chǎn)，可進(jìn)一步降低成本。

　　除了價(jià)格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價(jià)物的應(yīng)用范圍更廣。在智能手機(jī)、相機(jī)、氣囊控制單元或類(lèi)似的小型設(shè)備中，竭盡所能也設(shè)計(jì)不出金屬球和彈簧加速度計(jì)；但通過(guò)減小了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，MEMS器件可以用在容不下傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用中。

　　圖1：TI的數(shù)字微鏡像素，拆解視圖。德州儀器版權(quán)所有。

　　易于集成是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)樗鼈儾捎门cASIC制造相似的制造流程，MEMS結(jié)構(gòu)可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)真正的一體化器件中雖然挑戰(zhàn)性很大，但并非不可能，而且在逐步實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng)造成功商用并具備成本效益的MEMS 產(chǎn)品。

　　德州儀器的數(shù)字微鏡器件（DMD）就是其中一個(gè)案例。DMD是TI DLP? 技術(shù)的核心，它廣泛應(yīng)用于商用或教學(xué)用投影機(jī)單元以及數(shù)字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲(chǔ)單元之間的電勢(shì)進(jìn)行靜電致動(dòng)?；叶葓D像是由脈沖寬度調(diào)制的反射鏡的開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)之間產(chǎn)生的。顏色通過(guò)使用三芯片方案（每一基色對(duì)應(yīng)一個(gè)芯片），或通過(guò)一個(gè)單芯片以及一個(gè)色環(huán)或RGB LED光源來(lái)加入。采用后者技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)與DLP芯片同步，以連續(xù)快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個(gè)完整光譜的圖像。

　　或許MEMS技術(shù)的一個(gè)最有趣特性是設(shè)計(jì)師得以展示在如此小規(guī)模的物理域中發(fā)掘物理獨(dú)特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　圖2：簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)