尽管大部分人关于MEMS（Microelectromechanical systems， 微机电体系/微机械/微体系）仍是感到很生疏，可是其实MEMS在咱们出产，乃至日子中早已无处不在了，智能手机，健身手环、打印机、轿车、无人机以及VR/AR头戴式设备，部分前期和简直一切近期电子产品都使用了MEMS器材。
MEMS是一门归纳学科，学科穿插现象极端显着，首要触及微加工技能，机械学/固体声波理论，暖流理论，电子学，生物学等等。MEMS器材的特征长度从1毫米到1微米，比较之下头发的直径大约是50微米。MEMS传感器
首要长处是体积小、分量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，正在逐渐替代传统机械传感器，在各个范畴简直都有研讨，不论是消费电子产品、轿车工业、乃至航空航天、机械、化工及医药等各范畴。常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显现器，DNA扩增微体系，催化传感器。
MEMS的快速开展是根据MEMS之前现已适当老练的微电子技能、集成电路技能及其加工工艺。 MEMS往往会选用常见的机械零件和东西所对应微观模仿元件，例如它们或许包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。可是，MEMS器材加工技能并非机械式。相反，它们选用相似于集成电路批处理式的微制作技能。批量制作能显着下降大规模出产的本钱。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mm x 5 mm，则一个8英寸（直径20厘米）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片（图1），分摊到每个芯片的本钱则可大起伏下降。因而MEMS商业化的工程除了进步产品自身功用、可靠性外，还有许多作业集中于扩展加工硅片半径（切割出更多芯片），削减工艺进程总数，以及尽或许地缩传感器巨细。
图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意图
图2. 从硅原料到硅片进程。硅片上的重复单元可称为芯片（chip 或die）。
MEMS需求专门的电子电路IC进行采样或驱动，一般别离制作好MEMS和IC粘在同一个封装内能够简化工艺，如图3。不过具有集成或许性是MEMS技能的另一个长处。正如之前说到的，MEMS和ASIC （专用集成电路）选用相似的工艺，因而具有极大地潜力将二者集成，MEMS结构能够更容易地与微电子集成。可是，集成二者难度仍是十分大，首要考虑要素是如安在制作MEMS确保IC部分的完好性。例如，部分MEMS器材需求高温工艺，而高温工艺将会损坏IC的电学特性，乃至熔化集成电路中低熔点资料。MEMS常用的压电资料氮化铝因为其低温堆积技能，因为成为一种广泛运用post-CMOS compaTIble（后CMOS兼容）资料。尽管难度很大，但正在逐渐完结。与此一起，许多制作商现已选用了混合方法来发明成功商用并具有本钱效益的MEMS 产品。一个成功的比方是ADXL203，图4。ADXL203是完好的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计，供给经过信号调度的电压输出，一切功用（MEMS IC）均集成于一个单芯片中。这些器材的满量程加速度丈量规模为±1.7 g，既能够丈量动态加速度（例如振荡），也能够丈量静态加速度（例如重力）。
图3. MEMS与IC在不同的硅片上制作好了再粘合在同一个封装内
图4. ADXL203（单片集成了MEMS与IC）
通讯/移动设备
图5. 智能手机简化示意图（How MEMS Enable Smartphone Features）
在智能手机中，iPhone 5选用了4个 MEMS传感器，三星Galaxy S4手机选用了八个MEMS传感器。iPhone 6 Plus运用了六轴陀螺仪加速度计（InvenSense MPU-6700）、三轴电子罗盘（AKM AK8963C）、三轴加速度计（Bosch Sensortec BMA280），磁力计，大气压力计（Bosch Sensortec BMP280）、指纹传感器（Authen Tec的TMDR92）、间隔传感器，环境光传感器（来自AMS的TSL2581 ）和MEMS麦克风。iphone 6s与之相似，略微多一些MEMS器材，例如选用了4个MEMS麦克风。估计将来高端智能手机将选用数十个MEMS器材以完结多模通讯、智能辨认、导航/定位等功用。 MEMS硬件也将成为LTE技能亮点部分，将运用MEMS天线开关和数字调谐电容器完结多频带技能。
以智能手机为主的移动设备中，使用了很多传感器以添加其智能性，进步用户体会。这些传感器并非手机等移动/通讯设备独有，在本文以及后续文章其他当地所介绍的加速度、化学、人体感官传感器等能够了解相关信息，在此不赘叙。此处首要介绍通讯中较为特其他MEMS器材，首要为与射频相关MEMS器材。
通讯体系中，很多不同频率的频带被运用以完结通讯功用，而这些频带的运用离不开频率的发生。声外表波器材，作为一种片外（off-chip）器材，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国家栋梁。2005年，安捷伦科技推出根据MEMS体声波（BAW）谐振器的频率器材（滤波器），该技能能够节约四分之三的空间。BAW器材不同于其他MEMS的当地在于BAW没有运动部件，首要经过体积胀大与缩短完结其功用。（其他一个非位移试MEMS典型比方是依托资料特点改动的MEMS器材，例如根据相变资料的开关，参加不同电压能够使资料发生相变，别离为低阻和高阻状况，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，这也是前段时间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能的巨大进步，AlN FBAR现已被运用在iphone上作为重要滤波器组件。下图为FBAR和为SMR （Solidly Mounted Resonator）。其原理首要经过固体声波在上下外表反射构成谐振腔。
图6. FBAR示意图，压电薄膜悬空在腔体至上
图7. SMR示意图（非悬空结构，选用Bragg reflector布拉格反射层） （SAW/FBAR设备的作业原理及运用典范）
图8. SMR声波能量起伏示意图
如图8所示，其间的赤色线条表明轰动起伏。固体声波在笔直方向发生反射，然后将能量集中于中心橙色的压电层中。顶部是与空气的交界面，挨近于100%反射。底部是其与布拉格反射层的界面，无法到达完美反射，因而部分能量向下走漏。
图9 什物FBAR扫描电镜图。成心将其规划成不平行多边形是为了防止水平方向水平方向反射导致的谐振，假如水平方向有谐振则会构成杂波。
图10所示为消除杂波前后等效导纳（即阻抗倒数，或许简略理解为电阻值倒数）特性比照。消除杂波后其特性曲线更滑润，功率更高，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。
可穿戴/植入式范畴
图12. 用户与物联网
可穿戴/植入式MEMS归于物联网IoT重要一部分，首要功用是经过一种更便携、快速、友爱的方法（现在大部分精度达不到大型外置仪器的水平）直接向用户供给信息。可穿戴/应该说是最受用户重视，最感兴趣的话题了。大部分用户对轿车、打印机内的MEMS无感，这些器材与用户中心经过了数层中介。可是可穿戴/直接与用户触摸，进步顾客科技感，更受年青用户喜欢，比方可见Fitbit等健身手环。该范畴最重要的首要有三大块：消费、健康及工业，咱们在此首要评论更受重视的前两者。消费范畴的产品包含之前说到的健身手环，还有智能手表等。健康范畴，即医疗范畴，首要包含确诊，医治，监测和护理。比方助听、方针检测（如血压、血糖水平），身形监测。MEMS简直能够完结人体一切感官功用，包含视觉、听觉、味觉、嗅觉（如Honeywell电子鼻）、触觉等，各类健康方针可经过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度，速度，适用性都能够到达较高水平，一起因为其体积优势可直接植入人体，是医疗辅佐设备中要害的组成部分。
传统大型医疗器械优势显着，精度高，但价格昂贵，遍及难度较大，且一般一台设备只完结单一功用。比较之下，某些医疗方针能够经过MEMS技能，运用其体积小的优势，深化触摸丈量方针，在到达必定的精度下，下降本钱，完结多重功用的整合。以所了解过的一些项目为例，经过MEMS传感器对体内某些方针进行丈量，一起MEMS执行器（actuator）可直接作用于器官或病变安排进行更直接的医治，一起体系能够经过MEMS能量收集器进行供电，多组单元能够经过MEMS通讯器进行信息传输。个人认为，MEMS医疗远景宽广，不过离老练运用还有不短的间隔，特别考虑到技能难度，可靠性，人体安全等。
图13. MEMS完结人体感官功用
可穿戴设备中最闻名，盛行的便数苹果手表了，其实苹果手表和苹果手表结构现已十分相似了，处理器、存储单元、通讯单元、（MEMS）传感器单元等，因而对此不在赘叙。
图14. 苹果手表明意图*Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare
其他范畴
投影仪
投影仪所选用的MEMS微镜如图15，16所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其间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，经过改动外部鼓励然后操控同一个微镜的不同锚/铰链的标准然后微镜歪斜特定视点，将入射光线向特定视点反射。很多微镜能够构成一个阵列然后进行大面积的反射。锚/铰链的标准操控能够经过许多方法完结，一种简略的方法就是经过加热使其热胀大，当不同想同一个微镜的不同锚/铰链通入不同电流时，能够使它们发生不同形变，然后向指定视点歪斜。TI选用的是静电驱动方法，通入电，发生静电力来歪斜微镜。
图15 微镜的SEM示意图
图16 微镜结构示意图
德州仪器的数字微镜器材（DMD），广泛使用于商用或教育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进行静电致动。灰度图画是由脉冲宽度调制的反射镜的敞开和封闭状况之间发生的。色彩经过运用三芯片计划（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。选用后者技能的规划经过色环的旋转与DLP芯片同步，以接连快速的方法显现每种色彩，让观众看到一个完好光谱的图画 （5分钟带你了解什么是MEMS）。
TI有一个十分十分详细生动的视频介绍该产品，你能够在这个视频中看到整个微镜阵列怎么对光进行不同视点的折射。
图17. 微镜反射光线示意图
MEMS 加速度计
加速度传感器是最早广泛使用的MEMS之一。MEMS，作为一个机械结构为主的技能，能够经过规划使一个部件（图X中橙色部件）相对底座substrate发生位移（这也是绝大部分MEMS的作业原理），这个部件称为质量块（proof mass）。质量块经过锚anchor，铰链hinge，或绷簧spring与底座衔接。绿色部分固定在底座。当感应到加速度时，质量块相对底座发生位移。经过一些换能技能能够将位移转换为电能，假如选用电容式传感结构（电容的巨细遭到两极板堆叠面积或间隔影响），电容巨细的改动能够发生电流信号供其信号处理单元采样。经过梳齿结构能够极大地扩展传感面积，进步丈量精度，下降信号处理难度。加速度计还能够经过压阻式、力平衡式和谐振式等方法完结。
图18 MEMS加速度计结构示意图
图19 MEMS加速度计中位移与%&&&&&%改动示意图
轿车磕碰后，传感器的proof mass发生相对位移，信号处理单元收集该位移发生的电信号，触发气囊。更直观的作用能够观看视频。
图20. 轿车磕碰后加速度计的输出改动。
打印喷嘴
一种规划精巧的打印喷嘴如下图所示。两个不同巨细的加热元件发生巨细不一的气泡然后将墨水喷出。详细进程为：1，左边加热元件小于右侧加热元件，通入相同电流时，左边发生更多热量，构成更大气泡。左边气泡首要扩展，然后阻隔左右侧液体，坚持右侧液体高压力使其喷发。喷发后气泡决裂，液体从头填充该腔体。
图21. 选用气泡胀大的喷墨式MEMS
图22. HP出产的喷墨式MEMS相关产品
开关/继电器
MEMS继电器与开关。其优势是体积小（密度高，选用微工艺批量制作然后下降本钱），速度快，有望替代带部分传统电磁式继电器，而且能够直接与%&&&&&%%&&&&&%集成，极大地进步产品可靠性。其标准细小，挨近于固态开关，而电路通断选用与机械触摸（也有部分产品选用其他通断方法），其优势下风基本上介于固态开关与传统机械开关之间。MEMS继电器与开关一般含有一个可移动悬臂梁，首要选用静电致动原理，当进步触点两头电压时，吸引力添加，引起悬臂梁向另一个触电移动，当移动至总行程的1/3时，开关将主动吸合（称之为pull in现象）。
图23. MEMS开关断合示意图
生物实验类
MEMS器材因为其标准挨近生物细胞，因而能够直接对其进行操作（链接）。
图24. MEMS操作细胞示意图
NEMS（纳机电体系）
NEMS（Nanoelectromechanical systems， 纳机电体系）与MEMS相似，首要差异在于NEMS标准/分量更小，谐振频率高，能够到达极高丈量精度（小标准效应），比MEMS更高的外表体积比能够进步外表传感器的灵敏程度，（外表效应），且具有运用量子效应探究新式丈量手法的潜力。
首个NEMS器材由IBM在2000年展现， 如图25所示。器材为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器材选用外表微加工技能加工而成（MEMS中选用使用较多的有体加工技能，当然MEMS也选用了不少外表微加工技能，关于微加工技能将会在之后的专题进行介绍）。该器材规划用来进行超高密度，快速数据存储，根据热机械读写技能（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作为存储介质。该数据存储技能来源于AFM（原子力显微镜）技能，比较磁存储技能，根据AFM的存储技能具有更大潜力。
快速热机械写入技能（Fast thermomechanical writing）根据以下概念（图26），‘写入’时经过加热的针尖部分软化/消融下方的聚合物polymer，一起施加细小压力，构成纳米级其他刻痕，用来代表一个bit。加热时经过一个坐落针尖下方的阻性渠道完结。关于‘读’，施加一个固定小电流，温度将会被加热渠道和存储介质的间隔调制，然后经过温度改动读取bit。 而温度改动可经过热阻效应（温度改动导致资料电阻改动）或许压阻效应（资料收到压力导致形变，然后导致导致资料电阻改动）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.快速热机械写入技能示意图
