虽然大局部人关于MEMS（Microelectromechanical systems， 微机电零碎/微机械/微零碎）还是感到很生疏，但是其实MEMS在我们消费，甚至生活中早已无处不在了，智能手机，健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备，局部晚期和简直一切近期电子产品都使用了MEMS器件。

　　MEMS是一门综合学科，学科穿插景象极端分明，次要触及微加工技术，机械学/固体声波实际，热流实际，电子学，生物学等等。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，相比之下头发的直径大约是50微米。MEMS传感器

　　MEMS的疾速开展是基于MEMS之前曾经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。 MEMS往往会采用罕见的机械零件和工具所对应微观模仿元件，例如它们能够包括通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它构造。但是，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用相似于集成电路批处置式的微制造技术。批量制造能明显降低大规模消费的本钱。若单个MEMS传感器

　　图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）表示图

　　图2. 从硅原料到硅片进程。硅片上的反复单元可称为芯片（chip 或die）。

　　MEMS需求专门的电子电路IC停止采样或驱动，普通辨别制造好MEMS和IC粘在同一个封装内可以简化工艺，如图3。不过具有集成能够性是MEMS技术的另一个优点。正如之前提到的，MEMS和ASIC （公用集成电路）采用类似的工艺，因而具有极大地潜力将二者集成，MEMS构造可以更容易地与微电子集成。但是，集成二者难度还是十分大，次要思索要素是如何在制造MEMS保证IC局部的完好性。例如，局部MEMS器件需求低温工艺，而低温工艺将会毁坏IC的电学特性，甚至熔化集成电路中低熔点资料。MEMS常用的压电资料氮化铝由于其高温堆积技术，由于成为一种普遍运用post-CMOS compaTIble（后CMOS兼容）资料。虽然难度很大，但正在逐渐完成。与此同时，许多制造商曾经采用了混合办法来发明成功商用并具有本钱效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203，图4。ADXL203是完好的高精度、低功耗、单轴/双轴减速度计，提供经过信号调理的电压输入，一切功用（MEMS IC）均集成于一个单芯片中。这些器件的满量程减速度测量范围为±1.7 g，既可以测量静态减速度（例如振动），也可以测量静态减速度（例如重力）。

　　图3. MEMS与IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一个封装内

　　图4. ADXL203（单片集成了MEMS与IC）

　　图5. 智能手机简化表示图（How MEMS Enable Smartphone Features）

　　在智能手机中，iPhone 5采用了4个 MEMS传感器

　　以智能手机为主的挪动设备中，使用了少量传感器

　　通讯零碎中，少量不同频率的频带被运用以完成通讯功用，而这些频带的运用离不开频率的发生。声外表波器件，作为一种片外（off-chip）器件，与IC集成难度较大。外表声波（SAW）滤波器曾是手机天线双工器的中流砥柱。2005年，安捷伦科技推出基于MEMS体声波（BAW）谐振器的频率器件（滤波器），该技术可以节省四分之三的空间。BAW器件不同于其他MEMS的中央在于BAW没有运动部件，次要经过体积收缩与膨胀完成其功用。（另外一个非位移试MEMS典型例子是依托资料属性变化的MEMS器件，例如基于相变资料的开关，参加不同电压可以使资料发作相变，辨别为低阻和高阻形态，详见后续开关专题）。

　　在此值得一提的事，安华高Avago（前安捷伦半导体事业部）卖的如火如荼的薄膜腔声谐振器（FBAR）（ film bulk acousTIc-wave resonator， 也有free standing的说法，这也是前段工夫天津大学引发中美知识产权争议的东西）。得益于AlN氮化铝压电资料的堆积技术的宏大提高，AlN FBAR曾经被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR （Solidly Mounted Resonator）。其原理次要经过固体声波在上下外表反射构成谐振腔。

　　图6. FBAR表示图，压电薄膜悬空在腔体至上

　　图7. SMR表示图（非悬空构造，采用Bragg reflector布拉格反射层） （SAW/FBAR设备的任务原理及运用范例）

　　图8. SMR声波能量幅度表示图

　　如图8所示，其中的白色线条表示震动幅度。固体声波在垂直方向发作反射，从而将能量集中于两头橙色的压电层中。顶部是简单来说，创业有四步：一创意、二技术、三产品、四市场。对于停留在‘创意’阶段的团队，你们的难点不在于找钱，而在于找人。”结合自身微软背景及创业经验。与空气的接壤面，接近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面，无法到达完满反射，因而局部能量向下泄露。

　　图9 实物FBAR扫描电镜图。成心将其设计成不平行多边形是为了防止程度方向程度方向反射招致的谐振，假如程度方向有谐振则会构成杂波。

　　图10所示为消弭杂波前后等效导纳（即阻抗倒数，或许复杂了解为电阻值倒数）特性比照。消弭杂波后其特性曲线更平滑，效率更高，损耗更小，所构成的滤波器在同频带内的纹波更小。

　　图11所示为若干FBAR衔接起来构成滤波器。右图为封装好后的FBAR滤波器芯片及米粒比照，该滤波器比米粒还要小上许多。

　　图12. 用户与物联网

　　可穿戴/植入式MEMS属于物联网IoT重要一局部，次要功用是经过一种更便携、疾速、敌对的方式（目前大局部精度达不到大型外置仪器的程度）直接向用户提供信息。可穿戴/应该说是最受用户关注，最感兴味的话题了。大局部用户对汽车、打印机内的MEMS无感，这些器件与用户两头经过了数层中介。但是可穿戴/直接与用户接触，提升消费者科技感，更受年老用户喜欢，例子可见Fitbit等健身手环。该范畴最重要的次要有三大块：消费、安康及工业，我们在此次要讨论更受关注的前两者。消费范畴的产品包括之前提到的健身手环，还有智能手表等。安康范畴，即医疗范畴，次要包括诊断，医治，监测和护理。比方助听、目标检测（如血压、血糖程度），体态监测。MEMS简直可以完成人体一切感官功用，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉（如Honeywell电子鼻）、触觉等，各类安康目标可经过结合MEMS与生物化学停止监测。MEMS的采样精度，速度，适用性都可以到达较高程度，同时由于其体积优势可直接植入人体，是医疗辅佐设备中关键的组成局部。

　　传统大型医疗器械优势分明，精度高，但价钱昂贵，普及难度较大，且普通一台设备只完成单一功用。相比之下，某些医疗目的可以经过MEMS技术，应用其体积小的优势，深化接触测量目的，在到达一定的精度下，降低本钱，完成多重功用的整合。以所理解过的一些项目为例，经过MEMS传感器

　　图13. MEMS完成人体感官功用

　　可穿戴设备中最著名，盛行的便数苹果手表了，其实苹果手表和苹果手表构造曾经十分类似了，处置器、存储单元、通讯单元、（MEMS）传感器

　　图14. 苹果手表表示图*Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare

　　投影仪所采用的MEMS微镜如图15，16所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中扫描电镜图则是来自于TI的ElectrostaTIcally-driven digital mirrors for projection systems。每个微镜都由若干锚anchor或铰链hinge支撑，经过改动内部鼓励从而控制同一个微镜的不同锚/铰链的尺寸从而微镜倾斜特定角度，将入射光线向特定角度反射。少量微镜可以构成一个阵列从而停止大面积的反射。锚/铰链的尺寸控制可以经过许多方式完成，一种复杂的方式便是经过加热使其热收缩，当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时，可以使它们发生不同形变，从而向指定角度倾斜。TI采用的是静电驱动方式，通入电，发生静电力来倾斜微镜。

　　图15 微镜的SEM表示图

　　图16 微镜构造表示图

　　德州仪器的数字微镜器件（DMD），普遍使用于商用或教学用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜运用其与其下的CMOS存储单元之间的电势停止静电致动。灰度图像是由脉冲宽度调制的反射镜的开启和封闭形态之间发生的。颜色经过运用三芯片方案（每一基色对应一个芯片），或经过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来参加。采用后者技术的设计经过色环的旋转与DLP芯片同步，以延续疾速的方式显示每种颜色，让观众看到一个完好光谱的图像 （5分钟带你理解什么是MEMS）。

　　TI有一个十分十分详细生动的视频引见该产品，你可以在这个视频中看到整个微镜阵列如何对光停止不同角度的折射。

　　图17. 微镜反射光线表示图

　　减速度传感器

　　图18 MEMS减速度计构造表示图

　　图19 MEMS减速度计中位移与电容变化表示图

　　汽车碰撞后，传感器

　　图20. 汽车碰撞后减速度计的输入变化。

　　一种设计精巧的打印喷嘴如下图所示。两个不同大小的加热元件发生大小不一的气泡从而将墨水喷出。详细进程为：1，左侧加热元件小于右侧加热元件，通入相反电流时，左侧发生更多热量，构成更大气泡。左侧气泡首先扩展，从而隔绝左右侧液体，坚持右侧液体高压力使其放射。放射后气泡决裂，液体重新填充该腔体。

　　图21. 采用气泡收缩的喷墨式MEMS

　　图22. HP消费的喷墨式MEMS相关产品

　　MEMS继电器与开关。其优势是体积小（密度高，采用微工艺批量制造从而降低本钱），速度快，无望取代带局部传统电磁式继电器，并且可以直接与集成电路IC集成，极大地进步产品牢靠性。其尺寸巨大，接近于固态开关，而电路通断采用与机械接触（也有局部产品采用其他通断方式），其优势优势根本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关普通含有一个可挪动悬臂梁，次要采用静电致动原理，当进步触点两端电压时，吸引力添加，惹起悬臂梁向另一个触电挪动，当挪动至总行程的1/3时，开关将自动吸合（称之为pull in景象）。

　　图23. MEMS开关断合表示图

　　MEMS器件由于其尺寸接近生物细胞，因而可以直接对其停止操作（链接）。

　　图24. MEMS操作细胞表示图

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 纳机电零碎）与MEMS相似，次要区别在于NEMS尺度/分量更小，谐振频率高，可以到达极高测量精度（小尺寸效应），比MEMS更高的外表体积比可以进步外表传感器

　　首个NEMS器件由IBM在2000年展现， 如图25所示。器件为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器件采用外表微加工技术加工而成（MEMS中采用使用较多的有体加工技术，当然MEMS也采用了不少外表微加工技术，关于微加工技术将会在之后的专题停止引见）。该器件设计用来停止超高密度，疾速数据存储，基于热机械读写技术（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技术来源于AFM（原子力显微镜）技术，相比磁存储技术，基于AFM的存储技术具有更大潜力。

　　疾速热机械写入技术（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（图26），&lsquo写入&rsquo时经过加热的针尖部分硬化/消融下方的聚合物polymer，同时施加巨大压力，构成纳米级别的刻痕，用来代表一个bit。加热时经过一个位于针尖下方的阻性平台完成。关于&lsquo读&rsquo，施加一个固定小电流，温度将会被加热平台和存储介质的间隔调制，然后经过温度变化读取bit。 而温度变化可经过热阻效应（温度变化招致资料电阻变化）或许压阻效应（资料收到压力招致形变，从而招致招致资料电阻变化）读取。

　　图25. IBM 二维悬臂梁NEMS扫描电镜图（SEM）其针尖小于20nm

　　图26.疾速热机械写入技术表示图