一文閱盡“霸屏”電子產品的MEMS及其工作原理

　　雖然大部分人對于MEMS（Microelectromechanical systems，微機電系統/微機械/微系統）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、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，學科交叉現象極其明顯，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，相比之下頭發的直徑大約是50微米。MEMS傳感器主要優點是體積小、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、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。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，催化傳感器。

　　MEMS的快速發展是基于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，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. 從硅原料到硅片過程。硅片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。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創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（MEMS & IC）均集成于一個單芯片中。這些器件的滿量程加速度測量范圍為±1.7 g，既可以測量動態加速度（例如振動），也可以測量靜態加速度（例如重力）。