一文閱盡“霸屏”電子產(chǎn)品的MEMS及其工作原理

　　雖然大部分人對于MEMS（Microelectromechanical systems， 微機電系統/微機械/微系統）還是感到很陌生，但是其實(shí)MEMS在我們生產(chǎn)，甚至生活中早已無(wú)處不在了，智能手機，健身手環(huán)、打印機、汽車(chē)、無(wú)人機以及VR/AR頭戴式設備，部分早期和幾乎所有近期電子產(chǎn)品都應用了MEMS器件。

　　MEMS是一門(mén)綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現象極其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)，生物學(xué)等等。MEMS器件的特征長(cháng)度從1毫米到1微米，相比之下頭發(fā)的直徑大約是50微米。MEMS傳感器主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、靈敏度高、易于集成等，是微型傳感器的主力軍，正在逐漸取代傳統機械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領(lǐng)域。常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。

　　MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。 MEMS往往會(huì )采用常見(jiàn)的機械零件和工具所對應微觀(guān)模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機械式。相反，它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。批量制造能顯著(zhù)降低大規模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個(gè)8英寸（直徑20厘米）硅片（wafer）可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片（圖1），分攤到每個(gè)芯片的成本則可大幅度降低。因此MEMS商業(yè)化的工程除了提高產(chǎn)品本身性能、可靠性外，還有很多工作集中于擴大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數，以及盡可能地縮傳感器大小。

　　圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖

　　圖2. 從硅原料到硅片過(guò)程。硅片上的重復單元可稱(chēng)為芯片（chip 或die）。

　　MEMS需要專(zhuān)門(mén)的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅動(dòng)，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內可以簡(jiǎn)化工藝，如圖3。不過(guò)具有集成可能性是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。正如之前提到的，MEMS和ASIC （專(zhuān)用集成電路）采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而，集成二者難度還是非常大，主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高溫工藝，而高溫工藝將會(huì )破壞IC的電學(xué)特性，甚至熔化集成電路中低熔點(diǎn)材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術(shù)，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compaTIble（后CMOS兼容）材料。雖然難度很大，但正在逐步實(shí)現。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng )造成功商用并具備成本效益的MEMS 產(chǎn)品。一個(gè)成功的例子是ADXL203，圖4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出，所有功能（MEMS IC）均集成于一個(gè)單芯片中。這些器件的滿(mǎn)量程加速度測量范圍為±1.7 g，既可以測量動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)），也可以測量靜態(tài)加速度（例如重力）。

　　圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個(gè)封裝內

　　圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）

　　通信/移動(dòng)設備

　　圖5. 智能手機簡(jiǎn)化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features）

　　在智能手機中，iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了八個(gè)MEMS傳感器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤(pán)（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BMP280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器，環(huán)境光傳感器（來(lái)自AMS的TSL2581 ）和MEMS麥克風(fēng)。iphone 6s與之類(lèi)似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預計將來(lái)高端智能手機將采用數十個(gè)MEMS器件以實(shí)現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為L(cháng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和數字調諧電容器實(shí)現多頻帶技術(shù)。

　　以智能手機為主的移動(dòng)設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶(hù)體驗。這些傳感器并非手機等移動(dòng)/通信設備獨有，在本文以及后續文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關(guān)MEMS器件。

　　通信系統中，大量不同頻率的頻帶被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開(kāi)頻率的產(chǎn)生。聲表面波器件，作為一種片外（off-chip）器件，與IC集成難度較大。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線(xiàn)雙工器的中流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基于MEMS體聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技術(shù)能夠節省四分之三的空間。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒(méi)有運動(dòng)部件，主要通過(guò)體積膨脹與收縮實(shí)現其功能。（另外一個(gè)非位移試MEMS典型例子是依靠材料屬性變化的MEMS器件，例如基于相變材料的開(kāi)關(guān)，加入不同電壓可以使材料發(fā)生相變，分別為低阻和高阻狀態(tài)，詳見(jiàn)后續開(kāi)關(guān)專(zhuān)題）。

　　在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業(yè)部）賣(mài)的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）（ film bulk acousTIc-wave resonator， 也有free standing的說(shuō)法，這也是前段時(shí)間天津大學(xué)引發(fā)中美知識產(chǎn)權爭議的東西）。得益于A(yíng)lN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR （Solidly Mounted Resonator）。其原理主要通過(guò)固體聲波在上下表面反射形成諧振腔。

　　圖6. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上

　　圖7. SMR示意圖（非懸空結構，采用Bragg reflector布拉格反射層） （SAW/FBAR設備的工作原理及使用范例）

　　圖8. SMR聲波能量幅度示意圖

　　如圖8所示，其中的紅色線(xiàn)條表示震動(dòng)幅度。固體聲波在垂直方向發(fā)生反射，從而將能量集中于中間橙色的壓電層中。頂部是與空氣的交界面，接近于100%反射。底部是其與布拉格反射層的界面，無(wú)法達到完美反射，因此部分能量向下泄露。

　　圖9 實(shí)物FBAR掃描電鏡圖。故意將其設計成不平行多邊形是為了避免水平方向水平方向反射導致的諧振，如果水平方向有諧振則會(huì )形成雜波。

　　圖10所示為消除雜波前后等效導納（即阻抗倒數，或者簡(jiǎn)單理解為電阻值倒數）特性對比。消除雜波后其特性曲線(xiàn)更平滑，效率更高，損耗更小，所形成的濾波器在同頻帶內的紋波更小。

　　圖11所示為若干FBAR連接起來(lái)形成濾波器。右圖為封裝好后的FBAR濾波器芯片及米粒對比，該濾波器比米粒還要小上許多。

　　可穿戴/植入式領(lǐng)域

　　圖12. 用戶(hù)與物聯(lián)網(wǎng)

　　可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)IoT重要一部分，主要功能是通過(guò)一種更便攜、快速、友好的方式（目前大部分精度達不到大型外置儀器的水平）直接向用戶(hù)提供信息?？纱┐?應該說(shuō)是最受用戶(hù)關(guān)注，最感興趣的話(huà)題了。大部分用戶(hù)對汽車(chē)、打印機內的MEMS無(wú)感，這些器件與用戶(hù)中間經(jīng)過(guò)了數層中介。但是可穿戴/直接與用戶(hù)接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶(hù)喜愛(ài)，例子可見(jiàn)Fitbit等健身手環(huán)。該領(lǐng)域最重要的主要有三大塊：消費、健康及工業(yè)，我們在此主要討論更受關(guān)注的前兩者。消費領(lǐng)域的產(chǎn)品包含之前提到的健身手環(huán)，還有智能手表等。健康領(lǐng)域，即醫療領(lǐng)域，主要包括診斷，治療，監測和護理。比如助聽(tīng)、指標檢測（如血壓、血糖水平），體態(tài)監測。MEMS幾乎可以實(shí)現人體所有感官功能，包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)（如Honeywell電子鼻）、觸覺(jué)等，各類(lèi)健康指標可通過(guò)結合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監測。MEMS的采樣精度，速度，適用性都可以達到較高水平，同時(shí)由于其體積優(yōu)勢可直接植入人體，是醫療輔助設備中關(guān)鍵的組成部分。

　　傳統大型醫療器械優(yōu)勢明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標可以通過(guò)MEMS技術(shù)，利用其體積小的優(yōu)勢，深入接觸測量目標，在達到一定的精度下，降低成本，完成多重功能的整合。以所了解過(guò)的一些項目為例，通過(guò)MEMS傳感器對體內某些指標進(jìn)行測量，同時(shí)MEMS執行器（actuator）可直接作用于器官或病變組織進(jìn)行更直接的治療，同時(shí)系統可以通過(guò)MEMS能量收集器進(jìn)行供電，多組單元可以通過(guò)MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸。個(gè)人認為，MEMS醫療前景廣闊，不過(guò)離成熟運用還有不短的距離，尤其考慮到技術(shù)難度，可靠性，人體安全等。

　　圖13. MEMS實(shí)現人體感官功能

　　可穿戴設備中最著(zhù)名，流行的便數蘋(píng)果手表了，其實(shí)蘋(píng)果手表和蘋(píng)果手表結構已經(jīng)非常相似了，處理器、存儲單元、通信單元、（MEMS）傳感器單元等，因此對此不在贅敘。

　　圖14. 蘋(píng)果手表示意圖*Sensors for Wearable Electronics Mobile Healthcare

　　其他領(lǐng)域

　　投影儀

　　投影儀所采用的MEMS微鏡如圖15，16所示（Designing MEMS-based DLP pico projectors），其中掃描電鏡圖則是來(lái)自于TI的ElectrostaTIcally-driven digital mirrors for projection systems。每個(gè)微鏡都由若干錨anchor或鉸鏈hinge支撐，通過(guò)改變外部激勵從而控制同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈的尺寸從而微鏡傾斜特定角度，將入射光線(xiàn)向特定角度反射。大量微鏡可以形成一個(gè)陣列從而進(jìn)行大面積的反射。錨/鉸鏈的尺寸控制可以通過(guò)許多方式實(shí)現，一種簡(jiǎn)單的方式便是通過(guò)加熱使其熱膨脹，當不同想同一個(gè)微鏡的不同錨/鉸鏈通入不同電流時(shí)，可以使它們產(chǎn)生不同形變，從而向指定角度傾斜。TI采用的是靜電驅動(dòng)方式，通入電，產(chǎn)生靜電力來(lái)傾斜微鏡。

　　圖15 微鏡的SEM示意圖

　　圖16 微鏡結構示意圖

　　德州儀器的數字微鏡器件（DMD），廣泛應用于商用或教學(xué)用投影機單元以及數字影院中。每16平方微米微鏡使用其與其下的CMOS存儲單元之間的電勢進(jìn)行靜電致動(dòng)?；叶葓D像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開(kāi)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（每一基色對應一個(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。采用后者技術(shù)的設計通過(guò)色環(huán)的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀(guān)眾看到一個(gè)完整光譜的圖像 （5分鐘帶你了解什么是MEMS）。

　　TI有一個(gè)非常非常具體生動(dòng)的視頻介紹該產(chǎn)品，你可以在這個(gè)視頻中看到整個(gè)微鏡陣列如何對光進(jìn)行不同角度的折射。

　　圖17. 微鏡反射光線(xiàn)示意圖

　　MEMS 加速度計

　　加速度傳感器是最早廣泛應用的MEMS之一。MEMS，作為一個(gè)機械結構為主的技術(shù)，可以通過(guò)設計使一個(gè)部件（圖X中橙色部件）相對底座substrate產(chǎn)生位移（這也是絕大部分MEMS的工作原理），這個(gè)部件稱(chēng)為質(zhì)量塊（proof mass）。質(zhì)量塊通過(guò)錨anchor，鉸鏈hinge，或彈簧spring與底座連接。綠色部分固定在底座。當感應到加速度時(shí)，質(zhì)量塊相對底座產(chǎn)生位移。通過(guò)一些換能技術(shù)可以將位移轉換為電能，如果采用電容式傳感結構（電容的大小受到兩極板重疊面積或間距影響），電容大小的變化可以產(chǎn)生電流信號供其信號處理單元采樣。通過(guò)梳齒結構可以極大地擴大傳感面積，提高測量精度，降低信號處理難度。加速度計還可以通過(guò)壓阻式、力平衡式和諧振式等方式實(shí)現。

　　圖18 MEMS加速度計結構示意圖

　　圖19 MEMS加速度計中位移與電容變化示意圖

　　汽車(chē)碰撞后，傳感器的proof mass產(chǎn)生相對位移，信號處理單元采集該位移產(chǎn)生的電信號，觸發(fā)氣囊。更直觀(guān)的效果可以觀(guān)看視頻。

　　圖20. 汽車(chē)碰撞后加速度計的輸出變化。

　　打印噴嘴

　　一種設計精巧的打印噴嘴如下圖所示。兩個(gè)不同大小的加熱元件產(chǎn)生大小不一的氣泡從而將墨水噴出。具體過(guò)程為：1，左側加熱元件小于右側加熱元件，通入相同電流時(shí)，左側產(chǎn)生更多熱量，形成更大氣泡。左側氣泡首先擴大，從而隔絕左右側液體，保持右側液體高壓力使其噴射。噴射后氣泡破裂，液體重新填充該腔體。

　　圖21. 采用氣泡膨脹的噴墨式MEMS

　　圖22. HP生產(chǎn)的噴墨式MEMS相關(guān)產(chǎn)品

　　開(kāi)關(guān)/繼電器

　　MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)。其優(yōu)勢是體積?。芏雀?，采用微工藝批量制造從而降低成本），速度快，有望取代帶部分傳統電磁式繼電器，并且可以直接與集成電路IC集成，極大地提高產(chǎn)品可靠性。其尺寸微小，接近于固態(tài)開(kāi)關(guān)，而電路通斷采用與機械接觸（也有部分產(chǎn)品采用其他通斷方式），其優(yōu)勢劣勢基本上介于固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統機械開(kāi)關(guān)之間。MEMS繼電器與開(kāi)關(guān)一般含有一個(gè)可移動(dòng)懸臂梁，主要采用靜電致動(dòng)原理，當提高觸點(diǎn)兩端電壓時(shí)，吸引力增加，引起懸臂梁向另一個(gè)觸電移動(dòng)，當移動(dòng)至總行程的1/3時(shí)，開(kāi)關(guān)將自動(dòng)吸合（稱(chēng)之為pull in現象）。

　　圖23. MEMS開(kāi)關(guān)斷合示意圖

　　生物試驗類(lèi)

　　MEMS器件由于其尺寸接近生物細胞，因此可以直接對其進(jìn)行操作（鏈接）。

　　圖24. MEMS操作細胞示意圖

　　NEMS（納機電系統）

　　NEMS（Nanoelectromechanical systems， 納機電系統）與MEMS類(lèi)似，主要區別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度（小尺寸效應），比MEMS更高的表面體積比可以提高表面傳感器的敏感程度，（表面效應），且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。

　　首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示， 如圖25所示。器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應用較多的有體加工技術(shù)，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì )在之后的專(zhuān)題進(jìn)行介紹）。該器件設計用來(lái)進(jìn)行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫(xiě)技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質(zhì)。該數據存儲技術(shù)來(lái)源于A(yíng)FM（原子力顯微鏡）技術(shù)，相比磁存儲技術(shù)，基于A(yíng)FM的存儲技術(shù)具有更大潛力。

　　快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖26），‘寫(xiě)入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化下方的聚合物polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺實(shí)現。對于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì )被加熱平臺和存儲介質(zhì)的距離調制，然后通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。

　　圖25. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm

　　圖26.快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)示意圖