關(guān)于MEMS技術(shù)的部分技術(shù)

MEMS的快速發(fā)展基于相關(guān)技術(shù)的相對成熟，但是MEMS對于大部分人來說還是比較陌生的。對此，本文將詳細(xì)為你講述MEMS技術(shù)，帶你全方位的了解MEMS。

寫在前面

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

MEMS是一門綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現(xiàn)象及其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機(jī)械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)，生物學(xué)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(diǎn)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(jī)械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、甚至航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。

常見產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計(jì)，陀螺，靜電致動光投影顯示器，DNA擴(kuò)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(jīng)相當(dāng)成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。 MEMS往往會采用常見的機(jī)械零件和工具所對應(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，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。

批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個(gè)8英寸(直徑20厘米)硅片(wafer)可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片（圖1），分?jǐn)偟矫總€(gè)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(chǎn)品本身性能、可靠性外，還有很多工作集中于擴(kuò)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。

MEMS需要專門的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅(qū)動，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內(nèi)可以簡化工藝，如圖3。不過具有集成可能性是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

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(jié)構(gòu)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(xué)特性，甚至熔化集成電路中低熔點(diǎn)材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術(shù)，因?yàn)槌蔀橐环N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(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)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(chǎn)品。一個(gè)成功的例子是ADXL203，

ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計(jì)，提供經(jīng)過信號調(diào)理的電壓輸出，所有功能（MEMS & IC）均集成于一個(gè)單芯片中。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）。在智能手機(jī)中，iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機(jī)采用了八個(gè)MEMS傳感器。

iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計(jì)（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計(jì)（Bosch Sensortec BMA280），磁力計(jì)，大氣壓力計(jì)（Bosch Sensortec BMP280）、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(fēng)。

iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預(yù)計(jì)將來高端智能手機(jī)將采用數(shù)十個(gè)MEMS器件以實(shí)現(xiàn)多模通信、智能識別、導(dǎo)航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為LTE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線開關(guān)和數(shù)字調(diào)諧電容器實(shí)現(xiàn)多頻帶技術(shù)。

以智能手機(jī)為主的移動設(shè)備中，應(yīng)用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗(yàn)。這些傳感器并非手機(jī)等移動/通信設(shè)備獨(dú)有，在本文以及后續(xù)文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)元素、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)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(guān)MEMS器件。

通信系統(tǒng)中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國家，不同公司間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍(lán)牙，wifi等等不同技術(shù)使用不同的通信頻率）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(chǎn)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(jī)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(shù)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(yùn)動部件，主要通過體積膨脹與收縮實(shí)現(xiàn)其功能。（另外一個(gè)非位移式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(guān)，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(guān)專題）。

在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導(dǎo)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(shí)間天津大學(xué)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(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被運(yùn)用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR (Solidly Mounted Resonator)。其原理主要通過固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。