關(guān)于MEMS技術(shù)的原理和性能分析

什么是MEMS？

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），在歐洲也被稱為微系統(tǒng)技術(shù)，或在日本被稱為微機(jī)械，是一類器件，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。

我們?yōu)楹涡枰狹EMS？

“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?！?/p>

——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)绾卧卺樇馍蠈懗龃笥倏迫珪?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？

(編者注：理查德·費(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)

MEMS現(xiàn)狀

基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中許多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要驅(qū)動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，是一款新的相當(dāng)便宜的設(shè)備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。村田電子的SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及將這些功能集成在一個(gè)單芯片中可助力特定的汽車應(yīng)用---因?yàn)樗鼈兊木纫罂赡軙?huì)非常高?；贛EMS的氣囊傳感器自上世紀(jì)90年代起在幾乎所有汽車中已經(jīng)普遍取代了機(jī)械式碰撞傳感器。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)示例，同碰撞傳感器中使用的類似。一個(gè)帶有一定質(zhì)量塊的懸臂梁連接到一個(gè)或多個(gè)固定點(diǎn)以作為彈簧。當(dāng)傳感器沿梁的軸線加速時(shí)，該梁會(huì)移動(dòng)一段距離，這段距離可以通過(guò)梁的“牙齒”與外部固定導(dǎo)體之間的電容變化來(lái)測(cè)量。

許多商用和工業(yè)用噴墨打印機(jī)使用基于MEMS技術(shù)的打印機(jī)噴頭，保持這些墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這一技術(shù)被稱為按需投放（DoD）。墨滴放置在橫跨壓電材料（比如 lead zirconatetitanate,）組成的元件中，通過(guò)施加的電壓來(lái)進(jìn)行擠壓。這增加了打印頭墨水室的壓力，通過(guò)施力形成一個(gè)非常小量（相對(duì)壓縮）的墨水，并從噴嘴中噴出。

圖3：基于MEMS按需投放的打印機(jī)頭

與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。微機(jī)械繼電器（MMR），比如歐姆龍開(kāi)發(fā)的，這種繼電器更快，更高效，其集成度前所未有。歐姆龍發(fā)揮了自己的微機(jī)電系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)勢(shì)，為市場(chǎng)帶來(lái)新款溫度傳感器:D6T非接觸式MEMS溫度傳感器。該D6TMEMS制作過(guò)程中集成了ASIC和熱電堆元件，所以這種小型化的非接觸式溫度傳感器大小僅為18×14×8.8毫米（4x4元件類型）。

當(dāng)然，當(dāng)前的MEMS技術(shù)不限于單個(gè)傳感器器件，考慮一下人的感官：?jiǎn)沃谎蹘Ыo我們顏色、運(yùn)動(dòng)和（一些）位置信息，而兩只眼睛將帶來(lái)雙眼視覺(jué)，改善立體感知。事實(shí)上，我們的許多感知體驗(yàn)需要感官的組合，這樣的感知才是最終有意義的。我們的思路是，通過(guò)將傳感數(shù)據(jù)組合起來(lái)，可以彌補(bǔ)單個(gè)感官器官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并達(dá)到某種程度上最佳的環(huán)境理解。在人類領(lǐng)域，這就是所謂的“多通道整合”;而在電子領(lǐng)域，這就是所謂的傳感器融合。傳感器融合，特別是當(dāng)它涉及到MEMS時(shí)，是移動(dòng)設(shè)備中傳感器技術(shù)的一個(gè)重要的進(jìn)展。許多制造商已經(jīng)開(kāi)始提供完整的解決方案，如飛思卡爾面向Win8的12軸Xtrinsic傳感器平臺(tái)。該平臺(tái)集成了3軸加速度計(jì)，3軸磁力計(jì)，壓力傳感器，3軸陀螺儀，環(huán)境光傳感器,并帶有一個(gè)ColdFire + MCU，以提供一個(gè)完全硬件解決方案——還打包提供專用的傳感器融合軟件。

隨著MEMS器件的優(yōu)勢(shì)獲得認(rèn)可，MEMS市場(chǎng)步伐也在持續(xù)加快。據(jù)YoleDéveloppement2012年MEMS產(chǎn)業(yè)報(bào)告中所述，在接下來(lái)6年，MEMS“將繼續(xù)保持平穩(wěn)、持續(xù)的兩位數(shù)增長(zhǎng)”，2017年全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到210億美元。

MEMS設(shè)計(jì)與制造

“有趣的是，這樣小的機(jī)器會(huì)遇到什么問(wèn)題。首先，如果各部分壓力維持相同程度，力隨面積減小而變化，這樣重量以及慣性等將相對(duì)無(wú)足輕重。換句話說(shuō)，材料的強(qiáng)度所占比重將增加。比如，隨著我們減小尺寸，除非旋轉(zhuǎn)速度同比增加，飛輪離心力導(dǎo)致的壓力和膨脹才能維持相同比例。“

——理查德·費(fèi)曼，“底部仍然存在充足的空間”

縮放和小型化

MEMS設(shè)計(jì)和制造的介紹往往起始于對(duì)縮放和小型化的回顧。例如，如果我們問(wèn)，為什么不能簡(jiǎn)單地將一個(gè)空氣壓縮機(jī)或吊扇收縮到跳蚤大小的規(guī)模？答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與一個(gè)1000倍大的正常大小的風(fēng)扇的運(yùn)行方式不同，因?yàn)樗婕傲χg的相互強(qiáng)度發(fā)生了變化。比例因子，S，有助于理解這中間發(fā)生了什么變化。

考慮一個(gè)矩形，其面積等于長(zhǎng)度和寬度的乘積;如果矩形按比例因子縮小100（即長(zhǎng)度/ 100和寬度/ 100），該矩形的面積縮小為原來(lái)（1/100）^2= 1/10000。因此，面積的比例因子是S2。同樣，體積的比例因子是S3——因此隨著縮放越來(lái)越小，體積的影響比表面（面積）的影響更大。

在一個(gè)給定的規(guī)模上，謹(jǐn)慎考慮不同力的比例因子可以揭示其中最相關(guān)的物理現(xiàn)象。表面張力的比例因子是S1，壓力以及靜電相關(guān)的力是S2，磁場(chǎng)力是S3，以及重力為S4。這就解釋了水黽（或“水臭蟲(chóng)”）為什么可以在水面上行走，以及為何一對(duì)滾球軸承的表現(xiàn)與一個(gè)雙星系統(tǒng)不同。雖然任何設(shè)計(jì)中都須要開(kāi)發(fā)完整的數(shù)學(xué)模型，但比例因子有助于指導(dǎo)我們?nèi)绾卧O(shè)計(jì)MEMS大小的器件。

子系統(tǒng)建模

由于亞毫米器件的直觀性不強(qiáng)，模型對(duì)MEMS設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常必要。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的微機(jī)電系統(tǒng)太過(guò)復(fù)雜，難以從整體上進(jìn)行模型分析，因此，通常須要將該模型劃分為多個(gè)子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)建模的其中一種方式是按功能進(jìn)行分類，比如傳感器、作動(dòng)器、微電子元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)等。集總元件建模采用了這種方法，將系統(tǒng)的物理部分表示為理想化特征的分離元件。電子電路以同樣的方式進(jìn)行建模，使用理想化的電阻、電容、二極管以及各種復(fù)雜元件。據(jù)我們了解，在可以的情況下，電路建模時(shí)電氣工程師會(huì)使用大大簡(jiǎn)化的基爾霍夫電路定律，而不是使用麥克斯韋方程。

再次，如同電子領(lǐng)域一樣，系統(tǒng)可以使用框圖進(jìn)行更抽象的建模。在該層次上，可以非常方便地將每個(gè)元件的物理特性放置在一邊，而僅使用傳遞函數(shù)來(lái)描述系統(tǒng)。這種MEMS模型將更有利于控制理論技術(shù)，這是最高性能設(shè)計(jì)的一套重要工具。

設(shè)計(jì)集成

盡管標(biāo)準(zhǔn)IC設(shè)計(jì)通常由一系列步驟組成，但MEMS設(shè)計(jì)則截然不同；設(shè)計(jì)、布局、材料以及MEMS封裝本質(zhì)上是交織在一起的。正因?yàn)槿绱?，MEMS設(shè)計(jì)比IC設(shè)計(jì)更復(fù)雜——通常要求每一個(gè)設(shè)計(jì)“階段”同步發(fā)展。

MEMS封裝過(guò)程可能是與CMOS設(shè)計(jì)分歧最大的地方。 MEMS封裝主要是指保護(hù)設(shè)備免受環(huán)境損害，同時(shí)還提供一個(gè)對(duì)外接口以及減輕不必要的外部壓力。 MEMS傳感器通常須要進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，過(guò)大的應(yīng)力可能因器件變形及傳感器漂移而影響正常功能。

每個(gè)MEMS設(shè)計(jì)的封裝往往是唯一的，并且必須進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。眾所周知，在產(chǎn)業(yè)中封裝成本占總成本的很大一部分——在某些情況下會(huì)超過(guò)50％。

MEMS封裝沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，僅最近就有多種封裝技術(shù)涌現(xiàn)，其中包括MEMS晶圓級(jí)封裝（WLP）和硅通孔（TSV）技術(shù)。

制造

源自微電子，MEMS制造的優(yōu)勢(shì)在于批處理。就像其它任何產(chǎn)品，MEMS器件規(guī)模量產(chǎn)加大了它的經(jīng)濟(jì)效益。如同集成電路制造，MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益，當(dāng)然也是最常用的技術(shù)。然而，其它處理方式，同時(shí)兼具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，也在使用，包括化學(xué)/物理氣相沉積（CVD/ PVD）、外延和干法蝕刻。

盡管很大程度上取決于特定應(yīng)用，但相比于其電子性能，MEMS器件中使用的材料更看重它們的機(jī)械性能。所需的機(jī)械性能可能包括：高剛度，高斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性，化學(xué)惰性，以及高溫穩(wěn)定性。微光學(xué)機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）可能需要透明的基底，而許多傳感器和作動(dòng)器必須使用一些壓電或壓阻材料。

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