MEMS技術及其應用詳解

　　MEMS器件目前主要應用于汽車和消費電子，未來在醫療、工業、航空航天市場也將逐漸普及。那么MEMS是什么？有什么特點？MEMS設計與制造面臨哪些困難？本文將會一一解答。

　　MEMS是什么？

　　微機電系統（MEMS），在歐洲也被稱為微系統技術，或在日本被稱為微機械，是一類器件，其特點是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征長度從1毫米到1微米——1微米可是要比人們頭發的直徑小很多。

　　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、腔以及其它結構。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。

　　今天很多產品都利用了MEMS技術，如微換熱器、噴墨打印頭、高清投影儀的微鏡陣列、壓力傳感器以及紅外探測器等。

　　為何需要MEMS？

　　“他們告訴我一種小手指指甲大小的電動機。他們告訴我，目前市場上有一種裝置，通過它你可以在大頭針頭上寫禱文。但這也沒什么；這是最原始的，只是我打算討論方向上的暫停的一小步。在其下是一個驚人的小世界。公元2000年，當他們回顧當前階段時，他們會想知道為何直到1960年，才有人開始認真地朝這個方向努力?！?/p>

　　——理查德·費曼，《底部仍然存在充足的空間》發表于1959年12月29日于加州理工大學（Caltech）舉辦的美國物理學會年會。

　　在這個經典的帶預言性質的演講《底部仍然存在充足的空間》中，理查德·費曼繼續描述我們如何在針尖上寫出大英百科全書的每一卷。但我們可能會問：為什么要在這樣一個微小尺上生成這些對象？

　?。ň幷咦ⅲ豪聿榈隆べM曼（1918年5月11日－1988年2月15日），費曼是十九世紀末，俄羅斯和波蘭猶太人移民到美國的后裔。美國物理學家。1965年諾貝爾物理獎得主。提出了費曼圖、費曼規則和重正化的計算方法，是研究量子電動力學和粒子物理學不可缺少的工具。費曼被認為是愛因斯坦之后最睿智的理論物理學家，也是第一位提出納米概念的人）

　　MEMS器件可以完成許多宏觀器件同樣的任務，同時還有很多獨特的優勢。這其中第一個以及最明顯的一個優勢就是小型化。如前所述，MEMS規模的器件，小到可以使用與目前集成電路類似的批量生產工藝制造。如同集成電路產業一樣，批量制造能顯著降低大規模生產的成本。在一般情況下，微機電系統也需要非常量小的材料以進行生產，可進一步降低成本。

　　除了價格更便宜，MEMS器件也比它們更大等價物的應用范圍更廣。在智能手機、相機、氣囊控制單元或類似的小型設備中，竭盡所能也設計不出金屬球和彈簧加速度計；但通過減小了幾個數量級，MEMS器件可以用在容不下傳統傳感器的應用中。

　　圖1：TI的數字微鏡像素，拆解視圖。德州儀器版權所有。

　　易于集成是MEMS技術的另一個優點。因為它們采用與ASIC制造相似的制造流程，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。將MEMS與CMOS結構集成在一個真正的一體化器件中雖然挑戰性很大，但并非不可能，而且在逐步實現。與此同時，許多制造商已經采用了混合方法來創造成功商用并具備成本效益的MEMS 產品。

　　德州儀器的數字微鏡器件（DMD）就是其中一個案例。DMD是TI DLP? 技術的核心，它廣泛應用于商用或教學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行靜電致動?；叶葓D像是由脈沖寬度調制的反射鏡的開啟和關閉狀態之間產生的。顏色通過使用三芯片方案（每一基色對應一個芯片），或通過一個單芯片以及一個色環或RGB LED光源來加入。采用后者技術的設計通過色環的旋轉與DLP芯片同步，以連續快速的方式顯示每種顏色，讓觀眾看到一個完整光譜的圖像。

　　或許MEMS技術的一個最有趣特性是設計師得以展示在如此小規模的物理域中發掘物理獨特性的能力——這一主題隨后將再次談及。

　　圖2：簡化的MEMS加速度計