一文閱盡“霸屏”電子產(chǎn)品的MEMS及其工作原理

　　雖然大部分人對(duì)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(wú)處不在了，智能手機(jī)，健身手環(huán)、打印機(jī)、汽車、無(wú)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)象極其明顯，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(zhǎng)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(dòng)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(huì)采用常見的機(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)。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。

　　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(guò)程。硅片上的重復(fù)單元可稱為芯片（chip 或die）。

　　MEMS需要專門的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅(qū)動(dòng)，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內(nèi)可以簡(jiǎn)化工藝，如圖3。不過(guò)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(huì)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(lái)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，圖4。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(guò)信號(hào)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(cè)量范圍為±1.7 g，既可以測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)），也可以測(cè)量靜態(tài)加速度（例如重力）。

　　圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個(gè)封裝內(nèi)

　　圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

　　通信/移動(dòng)設(shè)備

　　圖5. 智能手機(jī)簡(jiǎn)化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features）

　　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(lái)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(lái)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(shí)別、導(dǎo)航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為L(zhǎng)TE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(dòng)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(dòng)/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)、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(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，主要通過(guò)體積膨脹與收縮實(shí)現(xiàn)其功能。（另外一個(gè)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(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）（ film bulk acousTIc-wave resonator， 也有free standing的說(shuō)法，這也是前段時(shí)間天津大學(xué)引發(fā)中美知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議的東西）。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(guò)固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

　　圖6. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

　　圖7. SMR示意圖（非懸空結(jié)構(gòu)，采用Bragg reflector布拉格反射層） （SAW/FBAR設(shè)備的工作原理及使用范例）

　　圖8. SMR聲波能量幅度示意圖

　　如圖8所示，其中的紅色線條表示震動(dòng)幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射，從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面，無(wú)法達(dá)到完美反射，因此部分能量向下泄露。

　　圖9 實(shí)物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設(shè)計(jì)成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導(dǎo)致的諧振，如果水平方向有諧振則會(huì)形成雜波。

　　圖10所示為消除雜波前后等效導(dǎo)納（即阻抗倒數(shù)，或者簡(jiǎn)單理解為電阻值倒數(shù)）特性對(duì)比。消除雜波后其特性曲線更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內(nèi)的紋波更小。

　　圖11所示為若干FBAR連接起來(lái)形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對(duì)比，該濾波器比米粒還要小上許多。

　　可穿戴/植入式領(lǐng)域

　　圖12. 用戶與物聯(lián)網(wǎng)

　　可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過(guò)一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達(dá)不到大型外置儀器的水平）直接向用戶提供信息?？纱┐?應(yīng)該說(shuō)是最受用戶關(guān)注，最感興趣的話題了。大部分用戶對(duì)汽車、打印機(jī)內(nèi)的MEMS無(wú)感，這些器件與用戶中間經(jīng)過(guò)了數(shù)層中介。但是可穿戴/直接與用戶接觸，提升消費(fèi)者科技感，更受年輕用戶喜愛，例子可見Fitbit等健身手環(huán)。該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費(fèi)、健康及工業(yè)，我們?cè)诖酥饕懻摳荜P(guān)注的前兩者。消費(fèi)領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫(yī)療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監(jiān)測(cè)和護(hù)理。比如助聽、指標(biāo)檢測(cè)（如血壓、血糖水平），體態(tài)監(jiān)測(cè)。MEMS幾乎可以實(shí)現(xiàn)人體所有感官功能，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電子鼻）、觸覺等，各類健康指標(biāo)可通過(guò)結(jié)合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MEMS的采樣精度，速度，適用性都可以達(dá)到較高水平，同時(shí)由于其體積優(yōu)勢(shì)可直接植入人體，是醫(yī)療輔助設(shè)備中關(guān)鍵的組成部分。

　　傳統(tǒng)大型醫(yī)療器械優(yōu)勢(shì)明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺(tái)設(shè)備只完成單一功能。相比之下，某些醫(yī)療目標(biāo)可以通過(guò)MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)勢(shì)，深入接觸測(cè)量目標(biāo)，在達(dá)到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。以所了解過(guò)的一些項(xiàng)目為例，通過(guò)MEMS傳感器對(duì)體內(nèi)某些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)MEMS執(zhí)行器（actuator）可直接作用于器官或病變組織進(jìn)行更直接的治療，同時(shí)系統(tǒng)可以通過(guò)MEMS能量收集器進(jìn)行供電，多組單元可以通過(guò)MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。個(gè)人認(rèn)為，MEMS醫(yī)療前景廣闊，不過(guò)離成熟運(yùn)用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。

　　圖13. MEMS實(shí)現(xiàn)人體感官功能

　　可穿戴設(shè)備中最著名，流行的便數(shù)蘋果手表了，其實(shí)蘋果手表和蘋果手表結(jié)構(gòu)已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲(chǔ)單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對(duì)此不在贅敘。

　　圖14. 蘋果手表示意圖*Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare

　　其他領(lǐng)域

　　投影儀

　　投影儀所采用的MEMS微鏡如圖15，16所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中掃描電鏡圖則是來(lái)自于TI的ElectrostaTIcally-driven digital mirrors for projection systems。每個(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過(guò)改變外部激勵(lì)從而控制同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線向特定角度反射。大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實(shí)現(xiàn)，一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹，當(dāng)不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅(qū)動(dòng)方式，通入電，產(chǎn)生靜電力來(lái)傾斜微鏡。

　　圖15 微鏡的SEM示意圖

　　圖16 微鏡結(jié)構(gòu)示意圖

　　德州儀器的數(shù)字微鏡器件（DMD），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 （5分鐘帶你了解什么是MEMS）。

　　TI有一個(gè)非常非常具體生動(dòng)的視頻介紹該產(chǎn)品，你可以在這個(gè)視頻中看到整個(gè)微鏡陣列如何對(duì)光進(jìn)行不同角度的折射。

　　圖17. 微鏡反射光線示意圖

　　MEMS 加速度計(jì)

　　加速度傳感器是最早廣泛應(yīng)用的MEMS之一。MEMS，作為一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)為主的技術(shù)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)使一個(gè)部件（圖X中橙色部件）相對(duì)底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個(gè)部件稱為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過(guò)錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。綠色部分固定在底座。當(dāng)感應(yīng)到加速度時(shí)，質(zhì)量塊相對(duì)底座產(chǎn)生位移。通過(guò)一些換能技術(shù)可以將位移轉(zhuǎn)換為電能，如果采用電容式傳感結(jié)構(gòu)（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號(hào)供其信號(hào)處理單元采樣。通過(guò)梳齒結(jié)構(gòu)可以極大地?cái)U(kuò)大傳感面積，提高測(cè)量精度，降低信號(hào)處理難度。加速度計(jì)還可以通過(guò)壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現(xiàn)。

　　圖18 MEMS加速度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖19 MEMS加速度計(jì)中位移與電容變化示意圖

　　汽車碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對(duì)位移，信號(hào)處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號(hào)，觸發(fā)氣囊。更直觀的效果可以觀看視頻。

　　圖20. 汽車碰撞后加速度計(jì)的輸出變化。

　　打印噴嘴

　　一種設(shè)計(jì)精巧的打印噴嘴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過(guò)程為：1，左側(cè)加熱元件小于右側(cè)加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側(cè)產(chǎn)生更多熱量，形成更大氣泡。左側(cè)氣泡首先擴(kuò)大，從而隔絕左右側(cè)液體，保持右側(cè)液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

　　圖21. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

　　圖22. HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品

　　開關(guān)/繼電器

　　MEMS繼電器與開關(guān)。其優(yōu)勢(shì)是體積?。芏雀?，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統(tǒng)電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。其尺寸微小，接近于固態(tài)開關(guān)，而電路通斷采用與機(jī)械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)基本上介于固態(tài)開關(guān)與傳統(tǒng)機(jī)械開關(guān)之間。MEMS繼電器與開關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁，主要采用靜電致動(dòng)原理，當(dāng)提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí)，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至總行程的1/3時(shí)，開關(guān)將自動(dòng)吸合（稱之為pull in現(xiàn)象）。

　　圖23. MEMS開關(guān)斷合示意圖

　　生物試驗(yàn)類

　　MEMS器件由于其尺寸接近生物細(xì)胞，因此可以直接對(duì)其進(jìn)行操作（鏈接）。

　　圖24. MEMS操作細(xì)胞示意圖

　　NEMS（納機(jī)電系統(tǒng)）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 納機(jī)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(dá)到極高測(cè)量精度（小尺寸效應(yīng)），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?yīng)），且具有利用量子效應(yīng)探索新型測(cè)量手段的潛力。

　　首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示， 如圖25所示。器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應(yīng)用較多的有體加工技術(shù)，當(dāng)然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì)在之后的專題進(jìn)行介紹）。該器件設(shè)計(jì)用來(lái)進(jìn)行超高密度，快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，基于熱機(jī)械讀寫技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲(chǔ)介質(zhì)。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)源于AFM（原子力顯微鏡）技術(shù)，相比磁存儲(chǔ)技術(shù)，基于AFM的存儲(chǔ)技術(shù)具有更大潛力。

　　快速熱機(jī)械寫入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖26），‘寫入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級(jí)別的刻痕，用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì)被加熱平臺(tái)和存儲(chǔ)介質(zhì)的距離調(diào)制，然后通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)熱阻效應(yīng)（溫度變化導(dǎo)致材料電阻變化）或者壓阻效應(yīng)（材料收到壓力導(dǎo)致形變，從而導(dǎo)致導(dǎo)致材料電阻變化）讀取。

　　圖25. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm

　　圖26.快速熱機(jī)械寫入技術(shù)示意圖