高科技產品中微機電系統應用研究

張霞 劉宏波 顧文 周細應 于治水

摘要：文章以CMOS為引子，概述MEMS的研究性質、主要特征；以通信/移動設備、智能手環為例，解讀高科技產品中MEMS的應用狀況：最后介紹MEMS與CMOS的差異，提出了我國發展MEMS的基本設想。

關鍵詞：MEMS； CMOS；微加工；交叉學科

雖然大部分人對于微機電系統/微機械/微系統（MicroElectromechanical Systems，MEMS）感到很陌生，但是其實MEMS在人們生活中早己無處不在了。智能手機、健身手環、打印機、汽車、無人機（車）以及可穿戴/植入的VR/AR頭戴式設備、物聯網等，這些電子產品都應用了MEMS器件（見圖1）。

1 MEMS概述

微機電系統技術是建立在微米/納米技術（ micro/nanotechnology）基礎上的21世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的微電子技術和微加工技術（包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術相結合的制造工藝），將機械（運動）構件（裝置）、光學系統、發音系統、電控系統、無線驅動、化學分析、計算系統等系統級芯片集成為一個整體單元的微型系統（各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統）。

MEMS是一門新型綜合學科，學科交叉現象極其明顯，將對未來人類生活產生革命性的影響，主要涉及微加工技術，材料物理與化學、精密光學、電子學，生物學、機械學/固體聲波理論，熱流理論等。對MEMS的研究主要包括理論基礎研究、制造工藝研究及應用研究3類。理論研究主要是研究微尺寸效應、微摩擦、微構件的機械效應以及微機械、微傳感器、微執行器等的設計原理和控制研究等：制造工藝研究包括微材料性能、微加工工藝技術、微器件的集成和裝配以及微測量技術等；應用研究主要是將所研究的成果，如微型電機、微型閥、微型傳感器以及各種專用微型機械投入使用。

2 MEMS特征

MEMS器件的特征長度是1mm～1μm，相比之下頭發的直徑大約是50μm。MEMS可以看作互補式金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）集成電路的擴展。如果將CMOS比喻為人的大腦和神經網絡，那么MEMS就是大腦智慧的“手臂”，為這信息系統提供了獲取信號的微傳感器和執行命令的微執行器。

MEMS的快速發展是基于MEMS之前已經相當成熟的微電子技術、集成電路技術及其加工工藝。MEMS往往會采用常見的機械零件和工具所對應微觀模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其他結構。然而，MEMS器件加工技術并非機械式。相反，它們采用類似于集成電路批處理式的微制造技術。批量制造能顯著降低大規模生產的成本。若單個MEMS傳感器芯片面積為5 mmX5 mm，則一個8英寸（直徑20 cm）硅片（wafer）可切割出約1000個MEMS傳感器芯片，分攤到每個芯片的成本則可大幅度降低[1]。因此，MEMS商業化的工程除了提高產品本身性能、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。3 MEMS與通信/移動設備 在智能手機中，iPhone 5采用了4個MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了8個MEMS傳感器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch SensortecBMA280）、磁力計、大氣壓力計（Bosch SensortecBMP280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器、環境光傳感器（來自AMS的TSL2581）和MEMS麥克風。iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個MEMS麥克風。預計將來高端智能手機將采用數十個MEMS器件以實現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。MEMS硬件也將成為LTE技術亮點部分，將利用MEMS天線開關和數字調諧電容器實現多頻帶技術。

以智能手機為主的移動設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗。通信系統中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國家間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍牙、WiFi等不同技術使用不同的通信頻率）被使用以完成通信功能，而這些頻帶的使用離不開頻率的產生。聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件，作為一種片外（off-chip）器件，與IC集成難度較大。MEMS的SAW和體聲波（Bulk Acoustic Wave，BAW）諧振器的頻率器件是手機天線雙工器的中流砥柱。另一個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關，加入不同電壓可以使材料發生相變，分別為低阻和高阻狀態。

4 可穿戴/植入式領域與MEMS

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯網重要一部分，主要功能是通過一種更便攜、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）直接向用戶提供信息。可穿戴是最受用戶關注、最感興趣的話題，與用戶接觸，提升消費者科技感，更受年輕用戶喜愛，例如Fitbit消費健身手環、蘋果手表等如圖2所示。

該領域最主要有三大塊：消費、健康及工業。健康領域，即醫療領域，主要包括診斷、治療、監測和護理。比如助聽、指標檢測（如血壓、血糖水平）、體態監測。MEMS幾乎可以實現人體所有感官功能，包括視覺、聽覺、味覺、嗅覺（如Honeywell電子鼻）、觸覺等，各類健康指標可通過結合MEMS與生物化學進行監測。MEMS的采樣精度、速度、適用性都可以達到較高水平，同時由于其體積優勢可直接植入人體，是醫療輔助設備中關鍵的組成部分。

傳統大型醫療器械優勢明顯，精度高，但價格昂貴，普及難度較大，且一般一臺設備只完成單一功能。相比之下，某些醫療目標通過MEMS傳感器，利用其體積小的優勢，深入接觸測量目標，對體內某些指標進行測量，在達到一定的精度下，降低成本，直接作用于器官或病變組織進行更直接的治療。同時系統可以通過MEMS能量收集器進行無線供電，多組單元可以通過MEMS通信器進行信息傳輸，完成多重功能的整合[2]。MEMS醫療前景廣闊，尤其需考慮技術難度、可靠性、人體安全等。

5 結語

MEMS傳感器主要優點是體積小、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。常見的壓力傳感器、加速度計、陀螺、靜電致動光投影顯示器、DNA擴增微系統、催化傳感器等，將逐漸取代傳統機械傳感器，在各個領域幾乎都有涉及，包括消費電子產品、汽車工業，甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領域。MEMS與CMOS在各方面依然存在很大差異：（1）設計思路；（2）基底材料；（3）工藝步驟：（4）構件封裝；（5）技術生命周期等[3]。我國應充分利用現有基礎，緊貼國際MEMS技術發展的大脈搏，根據國家發展戰略方針，在對社會經濟發展有重要影響的工業自動化、信息技術等行業，掌握與MEMS技術相關的設計、加工、測試、封裝、裝配和系統集成等具有自主知識產權的理論方法和關鍵技術。