高科技產(chǎn)品中微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用研究

張霞 劉宏波 顧文 周細(xì)應(yīng) 于治水

摘要：文章以CMOS為引子，概述MEMS的研究性質(zhì)、主要特征；以通信/移動(dòng)設(shè)備、智能手環(huán)為例，解讀高科技產(chǎn)品中MEMS的應(yīng)用狀況：最后介紹MEMS與CMOS的差異，提出了我國(guó)發(fā)展MEMS的基本設(shè)想。

關(guān)鍵詞：MEMS； CMOS；微加工；交叉學(xué)科

雖然大部分人對(duì)于微機(jī)電系統(tǒng)/微機(jī)械/微系統(tǒng)（MicroElectromechanical Systems，MEMS）感到很陌生，但是其實(shí)MEMS在人們生活中早己無處不在了。智能手機(jī)、健身手環(huán)、打印機(jī)、汽車、無人機(jī)（車）以及可穿戴/植入的VR/AR頭戴式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等，這些電子產(chǎn)品都應(yīng)用了MEMS器件（見圖1）。

1 MEMS概述

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（ micro/nanotechnology）基礎(chǔ)上的21世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的微電子技術(shù)和微加工技術(shù)（包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術(shù)相結(jié)合的制造工藝），將機(jī)械（運(yùn)動(dòng)）構(gòu)件（裝置）、光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)音系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、無線驅(qū)動(dòng)、化學(xué)分析、計(jì)算系統(tǒng)等系統(tǒng)級(jí)芯片集成為一個(gè)整體單元的微型系統(tǒng)（各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng)）。

MEMS是一門新型綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現(xiàn)象極其明顯，將對(duì)未來人類生活產(chǎn)生革命性的影響，主要涉及微加工技術(shù)，材料物理與化學(xué)、精密光學(xué)、電子學(xué)，生物學(xué)、機(jī)械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論等。對(duì)MEMS的研究主要包括理論基礎(chǔ)研究、制造工藝研究及應(yīng)用研究3類。理論研究主要是研究微尺寸效應(yīng)、微摩擦、微構(gòu)件的機(jī)械效應(yīng)以及微機(jī)械、微傳感器、微執(zhí)行器等的設(shè)計(jì)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(shù)、微器件的集成和裝配以及微測(cè)量技術(shù)等；應(yīng)用研究主要是將所研究的成果，如微型電機(jī)、微型閥、微型傳感器以及各種專用微型機(jī)械投入使用。

2 MEMS特征

MEMS器件的特征長(zhǎng)度是1mm～1μm，相比之下頭發(fā)的直徑大約是50μm。MEMS可以看作互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）集成電路的擴(kuò)展。如果將CMOS比喻為人的大腦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，那么MEMS就是大腦智慧的“手臂”，為這信息系統(tǒng)提供了獲取信號(hào)的微傳感器和執(zhí)行命令的微執(zhí)行器。

MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當(dāng)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)采用常見的機(jī)械零件和工具所對(duì)應(yīng)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(jié)構(gòu)。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機(jī)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(shù)。批量制造能顯著降低大規(guī)模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mmX5 mm，則一個(gè)8英寸（直徑20 cm）硅片（wafer）可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片，分?jǐn)偟矫總€(gè)芯片的成本則可大幅度降低[1]。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(kuò)大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數(shù)，以及盡可能地縮傳感器大小。3 MEMS與通信/移動(dòng)設(shè)備 在智能手機(jī)中，iPhone 5采用了4個(gè)MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機(jī)采用了8個(gè)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(jì)（Bosch SensortecBMA280）、磁力計(jì)、大氣壓力計(jì)（Bosch SensortecBMP280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器、環(huán)境光傳感器（來自AMS的TSL2581）和MEMS麥克風(fēng)。iphone 6s與之類似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預(yù)計(jì)將來高端智能手機(jī)將采用數(shù)十個(gè)MEMS器件以實(shí)現(xiàn)多模通信、智能識(shí)別、導(dǎo)航/定位等功能。MEMS硬件也將成為L(zhǎng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線開關(guān)和數(shù)字調(diào)諧電容器實(shí)現(xiàn)多頻帶技術(shù)。

以智能手機(jī)為主的移動(dòng)設(shè)備中，應(yīng)用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶體驗(yàn)。通信系統(tǒng)中，大量不同頻率的頻帶（例如不同國(guó)家間使用不同的頻率，2G，3G，LTE，CDMD以及藍(lán)牙、WiFi等不同技術(shù)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(chǎn)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(jī)天線雙工器的中流砥柱。另一個(gè)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(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)。

4 可穿戴/植入式領(lǐng)域與MEMS

可穿戴/植入式MEMS屬于物聯(lián)網(wǎng)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(dá)不到大型外置儀器的水平）直接向用戶提供信息?？纱┐魇亲钍苡脩絷P(guān)注、最感興趣的話題，與用戶接觸，提升消費(fèi)者科技感，更受年輕用戶喜愛，例如Fitbit消費(fèi)健身手環(huán)、蘋果手表等如圖2所示。

該領(lǐng)域最主要有三大塊：消費(fèi)、健康及工業(yè)。健康領(lǐng)域，即醫(yī)療領(lǐng)域，主要包括診斷、治療、監(jiān)測(cè)和護(hù)理。比如助聽、指標(biāo)檢測(cè)（如血壓、血糖水平）、體態(tài)監(jiān)測(cè)。MEMS幾乎可以實(shí)現(xiàn)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(biāo)可通過結(jié)合MEMS與生物化學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。MEMS的采樣精度、速度、適用性都可以達(dá)到較高水平，同時(shí)由于其體積優(yōu)勢(shì)可直接植入人體，是醫(yī)療輔助設(shè)備中關(guān)鍵的組成部分。

傳統(tǒng)大型醫(yī)療器械優(yōu)勢(shì)明顯，精度高，但價(jià)格昂貴，普及難度較大，且一般一臺(tái)設(shè)備只完成單一功能。相比之下，某些醫(yī)療目標(biāo)通過MEMS傳感器，利用其體積小的優(yōu)勢(shì)，深入接觸測(cè)量目標(biāo)，對(duì)體內(nèi)某些指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在達(dá)到一定的精度下，降低成本，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(tǒng)可以通過MEMS能量收集器進(jìn)行無線供電，多組單元可以通過MEMS通信器進(jìn)行信息傳輸，完成多重功能的整合[2]。MEMS醫(yī)療前景廣闊，尤其需考慮技術(shù)難度、可靠性、人體安全等。

5 結(jié)語

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。常見的壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺、靜電致動(dòng)光投影顯示器、DNA擴(kuò)增微系統(tǒng)、催化傳感器等，將逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有涉及，包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)，甚至航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等各領(lǐng)域。MEMS與CMOS在各方面依然存在很大差異：（1）設(shè)計(jì)思路；（2）基底材料；（3）工藝步驟：（4）構(gòu)件封裝；（5）技術(shù)生命周期等[3]。我國(guó)應(yīng)充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)，緊貼國(guó)際MEMS技術(shù)發(fā)展的大脈搏，根據(jù)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略方針，在對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要影響的工業(yè)自動(dòng)化、信息技術(shù)等行業(yè)，掌握與MEMS技術(shù)相關(guān)的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試、封裝、裝配和系統(tǒng)集成等具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)。