微机电系统（英语：Microelectromechanical Systems，缩写为 MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米尺度内。

微机电系统由尺寸为1至100微米（0.001至0.1毫米)的部件组成，一般微机电设备的通常尺寸在20微米到一毫米之间。微机电系统在日本被称作微机械（micromachines），在欧洲被称作微系统技术（Micro Systems Technology，MST）。

比微机电系统更小的，在纳米范围的类似技术被称为纳机电系统（nanoelectromechanical systems，NEMS）。

微机电系统与分子纳米技术或分子电子学的超前概念不同。它们内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。^[1]相比大尺寸的机械设备，由于MEMS的大表面积与体积比，MEMS在设计时需要考虑环境电磁作用（例如静电荷和磁矩）和流体动力学（例如表面张力和粘度）。 MEMS技术与分子纳米技术或分子电子学的区别在于后者还必须考虑表面化学。

微机电系统的实现得力于用来制造电子设备的半导体加工技术，并加以改造，使微机电系统可以应用到实际上。这些加工方式包含了微米等级的模塑成型（molding）、镀层（plating）、湿法刻蚀（氢氧化钾，四甲基氢氧化铵）和干法刻蚀（RIE和DRIE）、电火花加工（EDM），和其他一些能够制造微小型设备的加工方式。

微机电系统应用的一个知名实例是在苹果公司的移动通信设备中，该公司较新的手机使用了MEMS振荡器代替以往的石英晶体振荡器产生时脉信号，但由于氦原子会渗入MEMS集成电路的封装内，改变了MEMS振荡电路的工作情况，因此使氦气影响了iPhone、Apple Watch和iPad等设备的使用，以致用户处于不知觉氦气泄漏环境的时候手机失效，直到离开氦气泄漏环境一段时间，氦气原子消散后才恢复，此事经媒体报导后广为人知。^[2]^[3]

一、历史

微型机械的概念在相应的加工技术出现之前就被提出了。1959年，理查德·费曼在加州理工学院进行题为《底层还有大空间》的演讲。费曼在演讲中提出了在原子尺度上操纵物质的可能性以及将面临的挑战。 1964年，西屋公司的一支团队制造出了第一批微机电设备。^[4]^[5]这种设备名叫谐振栅极晶体管（英语：resonant gate transistor）

二、简介

微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要小得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。

生产微机电系统的公司的大小各不相同。大的公司主要集中于为汽车、生物医学或电子工业生产大批量的便宜的系统。成功的小公司则集中于生产创新的技术。所有这些公司都致力于研究开发。随着传感器的发展微机电系统的复杂性和效率不断提高。

常见的应用有：

在喷墨打印机里作为压电组件
在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用
在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统
在轮胎里作为压力传感器，在医学上测量血压
数字微镜芯片
微型麦克风阵列
MEMS微型投影仪
在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术的融合

三、MEMS（微机电系统）的构成

MEMS（微机电系统）是一种集成微型机械部件、传感器、执行器、电子电路和其他辅助功能的系统。MEMS的构成可以分为几个主要部分，包括机械结构、传感器、执行器、电子系统、封装和接口等。下面将详细介绍每个组成部分。

1. 机械结构

MEMS的机械结构是其核心部分，通常包含微型机械元件，这些元件通过微加工技术（如光刻、刻蚀、薄膜沉积等）制造。这些微机械部件执行传感、执行或控制任务。

微传感器（Micro Sensors）：用于检测物理、化学或生物信号。例如，加速度计、压力传感器、气体传感器等，能够感应外部环境的变化，并转化为电信号。
微执行器（Micro Actuators）：用于执行控制任务，通常由微型电机、致动器或阀门等组成。这些执行器通过接收电信号来进行机械运动或控制。比如，MEMS中使用电动致动器来驱动微型泵、微型阀、微型镜头等。
微机械结构：包括微型齿轮、弹簧、悬臂梁、微型传动装置等，这些结构用于承载和支撑其他部件，并使机械组件能够在微观尺度上发生运动。

2. 传感器

传感器是MEMS系统中用来感应环境变化并将其转化为电信号的核心部件。根据工作原理的不同，传感器可分为多种类型：

物理传感器：
- 加速度传感器：测量加速度和倾斜度，常用于移动设备、汽车等。
- 陀螺仪：测量角速度，用于姿态控制、导航系统等。
- 压力传感器：用于测量气体或液体的压力，应用广泛，如汽车的气压监测。
- 温度传感器：测量温度变化，常用于温控系统。
- 湿度传感器：测量空气湿度，应用于气候监测和空调系统。
化学与生物传感器：
- 气体传感器：检测特定气体浓度，如一氧化碳、甲烷、氨气等，用于安全监测。
- 生物传感器：用于检测生物分子或微生物，广泛应用于医疗健康、环境监测等领域。
光学传感器：用于检测光强、颜色、光谱等。例如，光学传感器可用于图像传感器、距离测量传感器等。

3. 执行器

执行器是MEMS中用来控制或驱动机械运动的部分。它们通常根据输入信号的不同，通过微型运动（如位移、旋转等）来完成控制任务。常见的执行器类型有：

电动执行器：通过电流激励产生机械运动，常见于微型马达和微型泵。
热致动器：利用材料的热膨胀效应来驱动机械运动，广泛应用于微型阀和微泵。
电磁执行器：基于电磁力原理来驱动部件，常见于微型开关和微型继电器。
静电执行器：利用静电力驱动微型机械部件的运动，适用于高精度控制，如微型镜头调焦、微型阀等。

4. 电子系统

MEMS的电子系统负责信号处理、控制和传输，是MEMS系统的“大脑”。电子系统主要包括以下几部分：

传感器信号处理：将传感器捕捉到的模拟信号转化为数字信号并进行处理。常用的处理方式包括放大、滤波、模数转换等。
控制系统：基于外部输入（如温度、压力等）对MEMS执行器进行控制。控制系统通常采用微控制器或微处理器。
接口电路：用于与外部设备或系统通信，传输传感器数据或接收控制命令。常见的接口电路包括I2C、SPI、UART等。
电源管理：提供系统所需的电力。由于MEMS设备通常功耗较低，因此电源管理模块非常重要，特别是在低功耗应用中（如可穿戴设备）。

5. 封装与保护

MEMS器件通常非常小巧脆弱，因此封装和保护结构至关重要。封装不仅保护MEMS器件免受外部物理损伤，还能确保其正常工作。封装的主要功能包括：

保护作用：防止MEMS元件受到外界污染、腐蚀或机械损伤。
热管理：通过封装控制MEMS设备的工作温度，防止温度过高导致损坏。
封装材料：MEMS封装材料通常采用塑料、金属或陶瓷等，具有良好的物理稳定性和耐用性。
微型化：由于MEMS设备体积小，封装技术需要具备高度的微型化能力，同时保持足够的功能性。

6. 接口与通信

MEMS设备通常与外部系统进行通信，接口和通信模块可以通过以下方式实现：

串行接口：如I2C、SPI等，适用于短距离的数据传输，广泛用于传感器数据的读取和执行器控制。
无线通信：如蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等，用于MEMS设备与外部设备（如手机、计算机等）之间的数据交换。
模拟接口：在一些传统的MEMS应用中，模拟信号传输仍然存在，特别是在传感器输出和执行器输入方面。

MEMS的构成涵盖了多个领域，从微型机械结构到传感器、执行器、电子电路、封装和接口等，都在微米级或纳米级的尺度上协同工作。MEMS技术的核心优势在于将机械、电子、光学等多种功能集成到一个小型芯片中，提供更高的精度、低功耗和高可靠性。这使得MEMS技术在消费电子、汽车、医疗、工业等领域得到了广泛应用。

微机电系统原材料和制造技术

微机电系统有多种原材料和制造技术，选择条件是系统的应用、市场等等。

硅

硅是用来制造集成电路的主要原材料。由于在电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验，硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。单晶体的硅遵守胡克定律，几乎没有弹性滞后的现象，因此几乎不耗能，其运动特性非常可靠。此外硅不易折断，因此非常可靠，其使用周期可以达到上兆次。一般微机电系统的生产方式是在基质上堆积物质层，然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。

表面微加工

表面微加工是在硅芯片上沉积多晶硅然后加工。

深层刻蚀

深层刻蚀如深层反应离子刻蚀技术蚀刻到芯片内部的牺牲层，牺牲层在蚀刻完成后溶解掉，本来埋在芯片内部的结构就可自由运动。

体型微加工

体型微加工与深层刻蚀类似，是另一种去除硅的方法。一般体型微加工使用碱性溶液如氢氧化钾来腐蚀平板印刷后留下来的硅。这些碱溶液腐蚀时的相对各向异性非常强，沿一定的晶体方向的腐蚀速度比其它的高一千倍。这样的过程往往用来腐蚀v状的沟。假如选择的原材料的晶向足够精确的话这样的沟的边可以非常平。

高分子材料

虽然电子工业对硅加工的经验是非常丰富和宝贵的，并提供了很大的经济性，但是纯的硅依然是非常昂贵的。高分子材料非常便宜，而且其性能各种各样。使用注射成形、压花、立体光固化成形等技术也可以使用高分子材料制造微机电系统，这样的系统尤其有利于微液体应用，比如可携测血设备等。

金属

金属也可以用来制造微机电系统。虽然比起硅来金属缺乏其良好的机械特性，但是在金属的适用范围内它非常可靠。

MEMS研究人员使用一系列的工程软件工具来测试他们设计的仿真度和原型。MEMS设计经常用到有限元素分析。对动态力，热度等等的仿真可用ANSYS，COMSOL、IntelliSuite和CoventorWare-ANALYZER等软件实现。其他软件，比如ConvertorWare-ARCHITECT和MEMS-PRO用来开发更适合加工制造的产品布局，甚至用来仿真嵌入型的MEMS系统。当原型机开发完成后，研究人员能够用各种仪器比如激光多普勒扫描振动计，显微镜，频闪观测仪等来测试它们。

四、使用MEMS技术的好处

原材料价格低廉，产量充足

大部分集成电路和MEMS的原材料是硅(Si)，这个神奇的VI族元素可以从二氧化硅中大量提取出来。而二氧化硅是什么？说的通俗一点，就是沙子。

沙子君在经历了一系列复杂的加工过程之后，就变成了单晶硅，长这个样子：

这个长长的大柱子，直径可以是 1 inch (2.5 cm) 到 12 inch (30 cm)，被切成一层层 500 微米厚的硅片（英文：wafer，和威化饼同词），长这个样子：

批量生产 – 产能高，良品率高

MEMS驱动器和传感器大部分都含有微机械机构。试想一下，我们要检测一个一微米长的弹簧移动了一纳米（微米尺度的悬臂梁在纳米尺度的范围内移动），这种加工精度在传统机械加工工艺上面是难以实现的。正因为有了MEMS技术，现在我们可以使数以万计的MEMS芯片（有些工艺也会把集成电路芯片放在同一步骤加工）出现在了每一片wafer上面，如下图所示。

这种批量生产（batch process）的过程目前已经全自动化控制，隔离了人为因素，确保了每一个MEMS芯片之间的工艺误差可以得到严格的控制，从而提高了良品率。切片、封装之后，就成为了一个个的MEMS芯片。从外观上来看，大部分的MEMS芯片和集成电路芯片是差不多的。

纳米技术本身的优势。

曾几何时，微米和纳米技术被称为了科技的代言词，但大部分人根本不理解微米和纳米技术是什么。其实对于MEMS传感器来讲，最大的优势是体积和表面积的比数值小（体积：表面积）。我们都知道体积是跟长度的三次方，而面积是长度的二次方。所以把一个MEMS器件等比例缩小的结果就是体积：表面积会缩小，这样会使得MEMS器件的信噪比增加（也就是有好处）。

最成功的几个“商用”MEMS工艺：

惯性传感器：加速度器和陀螺仪。代表公司及工艺：InvenSense的Nasiri工艺，ST Microelectronic的THELMA工艺，Analog Devices的IMU工艺，博世（Bosch）的Bosch Process。这个技术用在了导航方面，比如大疆无人机，虚拟现实和体感输入（智能手机、PlayStation手柄等），汽车安全气囊和ABS防抱死系统。

图： InvenSense的Nasiri工艺。其6轴惯性传感器用在了目前最新的iPhone6

喷墨打印机。代表公司及工艺：Epson的压电喷墨头，Canon的memjet（热驱动）。

图：Epson的压电喷墨头

投影仪DLP芯片。代表公司和工艺：Texas Instruments（德州仪器）的DLP （Digital Light Processing）技术，用在了目前全世界大于90%的投影仪当中。

图：TI的DLP技术

压力传感器。代表公司和工艺：ST Microelectronics和Bosch的压力传感器，用到了Piezoresistive压阻技术，用于GPS、登山手表和智能手机上。

图：Bosch的BMP180芯片。左边是ASIC电路，右边是压力传感器。可以看到，压力传感器东南西北四个方向都有压阻电阻，用来检测硅薄膜受到压力之后的形变。

麦克风。

MEMS的麦克风也是近几年才取代了过去磁感线圈式的麦克风。以美国的Knowles和中国的歌尔声学为主，MEMS麦克风已经基本替换了大部分手机中的传统麦克风。技术实现上也相对简单，其实就是一个打了很多孔的压力传感器。

图：Knowles用在iPhone中的麦克风

MEMS现在应用广泛、发展前景较好，但是它的可靠性和精度并不能达到某些传统工艺的标准，所以在军事和航天领域依然还是需要传统工艺来解决问题。

注：所有图片均来自google图片搜索。

什么是MEMS传感器? MEMS传感器设计,制造,和市场前景

参考文献

^ Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. 2008: 205. ISBN 1-84821-009-4.
^ 氦气泄露导致苹果设备故障. www.solidot.org. [2018-11-23].
^ iPhones are Allergic to Helium. iFixit. [2018-11-23] （美国英语）.
^ Electromechanical monolithic resonator,US patent 3614677, Filed April 29, 1966; Issued October 1971
^ Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate (PDF). IBM J. 1968, 12: 113–8.

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