一文看懂 MEMS技術(shù)的前世今生

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)，在日本則被稱為微機(jī)械，是一類尺寸很小且制造方式特別的器件。MEMS器件的典型長(zhǎng)度從1毫米到1微米不等，比人類頭發(fā)的直徑還小很多倍。

MEMS往往會(huì)采用常見的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)的微觀模擬元件，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量處理的微制造技術(shù)。

今天有很多產(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。

為什么需要MEMS？

“他們告訴我有一種小手指指甲大小的電動(dòng)機(jī)。他們說(shuō)，目前市場(chǎng)上有一種裝置，通過(guò)它你可以在針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打算討論的方向上暫停的一小步，在其下就是一個(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》（There's Plenty of Room at the Bottom）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)上。

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)绾卧卺樇馍蠈懗觥洞笥倏迫珪返拿恳痪怼５覀兛赡軙?huì)問：為什么要在這樣一個(gè)微小尺寸上操控這些對(duì)象？

MEMS器件可以完成許多用宏觀器件執(zhí)行的任務(wù)，同時(shí)還有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這其中第一個(gè)并且最明顯的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是小型化。如前所述，MEMS尺寸的器件，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。一般情況下，MEMS需要的生產(chǎn)材料也少得多，可進(jìn)一步降低成本。

除了價(jià)格更便宜，MEMS器件與比它們更大的對(duì)應(yīng)器件相比，應(yīng)用范圍也更廣。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)；但將器件尺寸降低幾個(gè)數(shù)量級(jí)后，MEMS器件就可以用在放不下傳統(tǒng)傳感器的應(yīng)用中。

圖1：TI的數(shù)字微鏡像素拆解視圖。TEXAS INSTRUMENTS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)可以更輕松地與微電子集成。將MEMS與CMOS結(jié)構(gòu)集成在一個(gè)真正一體化的器件中雖然難度很大，但并非不可能，而且已在逐步實(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)制造成功商用并具備成本效益的MEMS產(chǎn)品。

Texas Instruments數(shù)字微鏡器件（DMD）就是其中一個(gè)示例。DMD是TI DLP?技術(shù)的核心，它廣泛應(yīng)用于商用和教學(xué)用投影儀裝置以及數(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像是在脈沖寬度所調(diào)制反射鏡的開啟和關(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。采用后一種技術(shù)的設(shè)計(jì)通過(guò)色環(huán)的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)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尺寸的物理域中發(fā)掘物理獨(dú)特性的能力——這一主題后面會(huì)再次談及。

基于各種原因，許多MEMS產(chǎn)品在商業(yè)上取得了巨大成功，其中有很多器件已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。汽車工業(yè)是MEMS技術(shù)的主要推動(dòng)力之一。例如MEMS振動(dòng)結(jié)構(gòu)陀螺儀，是一款相當(dāng)便宜的新設(shè)備，目前用于汽車防滑或電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)中。Murata Electonics Oy SCX系列MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和傾斜儀，以及集成了這些功能各種組合的芯片可助力特定的汽車應(yīng)用——這些應(yīng)用要求在狹小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)非常高的精度?；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。

圖2：簡(jiǎn)化的MEMS加速度計(jì)

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，保持墨滴并在需要時(shí)精確地放下這些墨滴——這種技術(shù)被稱為按需投放（DoD）。通過(guò)對(duì)壓電材料（比如鋯鈦酸鉛）組成的元件施加電壓，讓墨水變形。這增加了打印機(jī)噴頭墨水室內(nèi)的壓力，讓非常少量（相對(duì)不可壓縮）的墨水從噴嘴中噴出。

圖3：基于MEMS按需投放技術(shù)的打印機(jī)噴頭

與此同時(shí)，其它一些MEMS技術(shù)才剛開始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。比如歐姆龍（Omron）開發(fā)的微機(jī)械繼電器 (MMR)，更快、更高效，片上集成度前所未有。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。D6T在MEMS制造過(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 x 14 x 8.8mm（4x4元件類型）。

當(dāng)然，現(xiàn)在的MEMS技術(shù)并不局限于單一的傳感器設(shè)備。為什么要這樣？考慮下人類的感官：一只眼睛給我們提供顏色、運(yùn)動(dòng)和（某些）位置信息，而兩只眼睛則使我們能夠通過(guò)雙目視覺提高深度知覺。事實(shí)上，我們的許多感性經(jīng)驗(yàn)都需要感官的結(jié)合才能有意義。我們的想法是，通過(guò)結(jié)合感官數(shù)據(jù)，我們可以彌補(bǔ)每個(gè)個(gè)體感官的弱點(diǎn)和缺點(diǎn)，并在某種程度上達(dá)到對(duì)環(huán)境的更好理解。對(duì)于人類來(lái)說(shuō)，這被稱為“多模集成”；在電子學(xué)中，這被稱為傳感器融合。傳感器融合，特別是與MEMS相關(guān)的傳感器融合，是移動(dòng)設(shè)備傳感器技術(shù)的重要發(fā)展。許多制造商已經(jīng)提供了完整的解決方案，如飛思卡爾（Freescale）面向Windows?8的12軸Xtrinsic傳感器平臺(tái)。該平臺(tái)將三軸加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)、壓力傳感器、三軸陀螺儀、環(huán)境光傳感器與ColdFire+MCU集成在一起，作為一個(gè)整體硬件解決方案，然后再將其與專有的傳感器融合軟件結(jié)合。

隨著MEMS器件的優(yōu)勢(shì)得到認(rèn)可，MEMS市場(chǎng)繼續(xù)加快增長(zhǎng)的步伐。根據(jù)Yole Développement的2012年MEMS行業(yè)報(bào)告，MEMS“在未來(lái)六年將繼續(xù)保持穩(wěn)定、可持續(xù)的兩位數(shù)增長(zhǎng)”，到2017年全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到210億美元。

MEMS設(shè)計(jì)與制造

“考慮這樣小的機(jī)器會(huì)遇到什么問題很有趣。首先，如果各部件的壓力維持相同強(qiáng)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，只有旋轉(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

在介紹MEMS設(shè)計(jì)和制造時(shí)，往往會(huì)先回顧一下縮放和小型化。例如，如果我們問，為什么不能簡(jiǎn)單地將空氣壓縮機(jī)或吊扇壓縮到跳蚤大小？答案是壓縮定律。跳蚤大小的吊扇與相當(dāng)于其1000倍大的正常大小風(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。

請(qǐng)考慮一個(gè)矩形，其面積等于長(zhǎng)度和寬度的乘積；如果該矩形按比例因子100倍進(jìn)行縮小 (即長(zhǎng)度/ 100，寬度/ 100)，那么該矩形的面積將縮小為原來(lái)的 (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—因此隨著壓縮比例越來(lái)越高，體積受到的影響比表面 (面積) 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，重力為S4。這就解釋了水黽 (或稱“水臭蟲”) 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)中都需要開發(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)于MEMS設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)尤為重要。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，通常需要將模型劃分為多個(gè)子系統(tǒng)。

子系統(tǒng)建模的其中一種方式是按功能進(jìn)行部件分類，比如傳感器、執(zhí)行器、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)的物理部件表示為特征理想化的分立元件。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，電路建模時(shí)電氣工程師會(huì)盡量使用大大簡(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。在這個(gè)層級(jí)，可以非常方便地將每個(gè)元件的物理特性放到一邊，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)，這是用于實(shí)現(xiàn)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封裝主要是保護(hù)器件免受環(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傳感器經(jīng)常需要進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，過(guò)大的應(yīng)力會(huì)造成器件變形及傳感器漂移，從而影響正常功能。

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)。業(yè)內(nèi)眾所周知，封裝成本會(huì)占總成本的很大一部分 — 在有些情況下會(huì)超過(guò)50％。

MEMS封裝沒有統(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

與微電子一樣，MEMS制造的優(yōu)勢(shì)在于批量處理。和其它產(chǎn)品也一樣，MEMS器件的規(guī)模量產(chǎn)增加了它的經(jīng)濟(jì)效益。就像集成電路制造一樣，MEMS制造中光刻方法往往最具成本效益，當(dāng)然也最常用。不過(guò)同時(shí)兼具優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)的其它工藝，也在使用，包括化學(xué)/物理氣相沉積 (CVD / PVD)、磊晶和干法蝕刻。

盡管很大程度上取決于具體應(yīng)用，但相比于其電子性能，MEMS器件中使用的材料更被看重的是它們的機(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，而許多傳感器和執(zhí)行器必須使用一些壓電或壓阻材料。

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作者：David Askew

David Askew是貿(mào)澤電子的技術(shù)內(nèi)容專員，主要專長(zhǎng)在于嵌入式系統(tǒng)和軟件領(lǐng)域。他擁有美國(guó)德州大學(xué)阿靈頓分校的電子工程學(xué)士學(xué)位。