干货：有关MEMS的最详细介绍

　　虽然大部分人对于MEMS（Microelectromechanical systems， 微机电系统/微机械/微系统）还是感到很陌生，但是其实MEMS在我们生产，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，部分早期和几乎所有近期电子产品都应用了MEMS器件。

　　MEMS是一门综合学科，学科交叉现象及其明显，主要涉及微加工技术，机械学/固体声波理论，热流理论，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传感器主要优点是体积小、重量轻、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，正在逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有研究，不论是消费电子产品、汽车工业、甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。常见产品有压力传感器，加速度计，陀螺，静电致动光投影显示器，DNA扩增微系统，催化传感器。

　　MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。 MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。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），分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。

　　图1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意图

　　图2. 硅片，其上的重复单元可称为芯片（chip 或die）

　　MEMS需要专门的电子电路IC进行采样或驱动，一般分别制造好MEMS和IC粘在同一个封装内可以简化工艺，如图3。不过具有集成可能性是MEMS技术的另一个优点。正如之前提到的，MEMS和ASIC （专用集成电路）采用相似的工艺，因此具有极大地潜力将二者集成，MEMS结构可以更容易地与微电子集成。然而，集成二者难度还是非常大，主要考虑因素是如何在制造MEMS保证IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高温工艺，而高温工艺将会破坏IC的电学特性，甚至熔化集成电路中低熔点材料。MEMS常用的压电材料氮化铝由于其低温沉积技术，因为成为一种广泛使用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。虽然难度很大，但正在逐步实现。与此同时，许多制造商已经采用了混合方法来创造成功商用并具备成本效益的MEMS 产品。一个成功的例子是ADXL203，图4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、单轴/双轴加速度计，提供经过信号调理的电压输出，所有功能均集成于一个单芯片IC中。这些器件的满量程加速度测量范围为±1.7 g，既可以测量动态加速度（例如振动），也可以测量静态加速度（例如重力）。（ADXL203 精密±1.7g 双轴iMEMS® 加速度计数据手册及应用电路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）

　　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（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; Göran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS and ICs，Microsystems & Nanoengineering， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems & Nanoengineering）

　　图4. ADXL203（单片集成了MEMS与IC）

　　NEMS（纳机电系统）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 纳机电系统）与MEMS类似，主要区别在于NEMS尺度/重量更小，谐振频率高，可以达到极高测量精度（小尺寸效应），比MEMS更高的表面体积比可以提高表面传感器的敏感程度，（表面效应），且具有利用量子效应探索新型测量手段的潜力。

首个NEMS器件由IBM在2000年展示， 如图5所示。 器件为一个 32X32的二维悬臂梁（2D cantilever array）。该器件采用表面微加工技术加工而成（MEMS中采用应用较多的有体加工技术，当然MEMS也采用了不少表面微加工技术，关于微加工技术将会在之后的专题进行介绍）。该器件设计用来进行超高密度，快速数据存储，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，