MEMS器材现在首要运用于轿车和消费电子，未来在医疗、工业、航空航天商场也将逐渐遍及。那么MEMS是什么？有什么特色？MEMS规划与制作面对哪些困难？本文将会逐个回答。
MEMS是什么？
微机电体系（MEMS），在欧洲也被称为微体系技能，或在日本被称为微机械，是一类器材，其特色是尺度很小，制作办法特别。MEMS器材的特征长度从1毫米到1微米——1微米但是要比人们头发的直径小许多。
MEMS往往会选用常见的机械零件和东西所对应微观模仿元件，例如它们或许包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。但是，MEMS器材加工技能并非机械式。相反，它们选用相似于集成电路批处理式的微制作技能。
今日许多产品都利用了MEMS技能，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。
为何需求MEMS？
“他们告诉我一种小手指指甲巨细的电动机。他们告诉我，现在商场上有一种设备，经过它你能够在大头针头上写祷文。但这也没什么；这是最原始的，仅仅我计划评论方向上的暂停的一小步。在其下是一个惊人的小国际。公元2000年，当他们回忆当时阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开端认真地朝这个方向尽力。”
——理查德·费曼，《底部依然存在足够的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举行的美国物理学会年会。
在这个经典的带预言性质的讲演《底部依然存在足够的空间》中，理查德·费曼持续描绘咱们如安在针尖上写出大英百科全书的每一卷。但咱们或许会问：为什么要在这样一个细小尺上生成这些目标？
（编者注：理查德·费曼（1918年5月11日－1988年2月15日），费曼是十九世纪末，俄罗斯和波兰犹太人移民到美国的后嗣。美国物理学家。1965年诺贝尔物理奖得主。提出了费曼图、费曼规矩和重正化的计算办法，是研讨量子电动力学和粒子物理学不行短少的东西。费曼被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人）
MEMS器材能够完结许多微观器材相同的使命，一起还有许多共同的优势。这其间第一个以及最显着的一个优势便是小型化。如前所述，MEMS规划的器材，小到能够运用与现在集成电路相似的批量出产工艺制作。好像集成电路工业相同，批量制作能明显下降大规划出产的本钱。在一般情况下，微机电体系也需求十分量小的资料以进行出产，可进一步下降本钱。
除了价格更廉价，MEMS器材也比它们更大等价物的运用规划更广。在智能手机、相机、气囊操控单元或相似的小型设备中，竭尽所能也规划不出金属球和绷簧加快度计；但经过减小了几个数量级，MEMS器材能够用在容不下传统传感器的运用中。
图1：TI的数字微镜像素，拆解视图。德州仪器版权一切。
易于集成是MEMS技能的另一个长处。因为它们选用与ASIC制作相似的制作流程，MEMS结构能够更容易地与微电子集成。将MEMS与CMOS结构集成在一个真实的一体化器材中虽然挑战性很大，但并非不或许，而且在逐渐完成。与此一起，许多制作商现已选用了混合办法来发明成功商用并具有本钱效益的MEMS 产品。
德州仪器的数字微镜器材（DMD）便是其间一个事例。DMD是TI DLP® 技能的中心，它广泛运用于商用或教育用投影机单元以及数字影院中。每16平方微米微镜运用其与其下的CMOS存储单元之间的电势进行静电致动。灰度图画是由脉冲宽度调制的反射镜的敞开和封闭状况之间发生的。色彩经过运用三芯片计划（每一基色对应一个芯片），或经过一个单芯片以及一个色环或RGB LED光源来参加。选用后者技能的规划经过色环的旋转与DLP芯片同步，以接连快速的办法显现每种色彩，让观众看到一个完好光谱的图画。
或许MEMS技能的一个最风趣特性是规划师得以展现在如此小规划的物理域中开掘物理共同性的才干——这一主题随后将再次谈及。
图2：简化的MEMS加快度计
MEMS的运用
根据各种原因，许多MEMS产品在商业上取得了巨大成功，其间许多器材现已取得广泛运用。轿车工业是MEMS技能的首要驱动力之一。例如MEMS振荡结构陀螺仪，是一款新的适当廉价的设备，现在用于轿车防滑或电子安稳操控体系中。村田电子的SCX系列MEMS加快度计、陀螺仪和倾斜仪，以及将这些功用集成在一个单芯片中可助力特定的轿车运用—因为它们的精度要求或许会十分高。根据MEMS的气囊传感器自上世纪90年代起在简直一切轿车中现已遍及替代了机械式磕碰传感器。图2显现了一个简化的MEMS加快度计示例，同磕碰传感器中运用的相似。一个带有必定质量块的悬臂梁连接到一个或多个固定点以作为绷簧。当传感器沿梁的轴线加快时，该梁会移动一段间隔，这段间隔能够经过梁的“牙齿”与外部固定导体之间的电容改变来丈量。
许多商用和工业用喷墨打印机运用根据MEMS技能的打印机喷头，坚持这些墨滴并在需求时精确地放下这些墨滴——这一技能被称为按需投进（DoD）。墨滴放置在横跨压电资料（比方 lead zirconateTItanate，）组成的元件中，经过施加的电压来进行揉捏。这添加了打印头墨水室的压力，经过施力构成一个十分小量（相对紧缩）的墨水，并从喷嘴中喷出。
图3：根据MEMS按需投进的打印机头
与此一起，其它一些MEMS技能才刚开端大规划进入商场。微机械继电器（MMR），比方欧姆龙开发的，这种继电器更快，更高效，其集成度史无前例。欧姆龙发挥了自己的微机电体系专业优势，为商场带来新款温度传感器：D6T非触摸式MEMS温度传感器。该D6TMEMS制作进程中集成了ASIC和热电堆元件，所以这种小型化的非触摸式温度传感器巨细仅为18&TImes;14×8.8毫米（4×4元件类型）。
MEMS规划与制作
“风趣的是，这样小的机器会遇到什么问题。首要，假如各部分压力保持相同程度，力随面积减小而改变，这样分量以及惯性等将相对无关宏旨。换句话说，资料的强度所占比重将添加。比方，跟着咱们减小尺度，除非旋转速度同比添加，飞轮离心力导致的压力和胀大才干保持相同份额。“
——理查德·费曼，“底部依然存在足够的空间”
缩放和小型化
MEMS 规划和制作的介绍往往起始于对缩放和小型化的回忆。例如，假如咱们问，为什么不能简略地将一个空气紧缩机或吊扇收缩到跳蚤巨细的规划？答案是紧缩规律。跳蚤巨细的吊扇与一个1000倍大的正常巨细的电扇的运转办法不同，因为所触及力之间的彼此强度发生了改变。份额因子，S，有助于了解这中心发生了什么改变。
考虑一个矩形，其面积等于长度和宽度的乘积;假如矩形按份额因子缩小100（即长度/ 100和宽度/ 100），该矩形的面积缩小为本来（1/100）^2= 1/10000。因而，面积的份额因子是S2。相同，体积的份额因子是S3——因而跟着缩放越来越小，体积的影响比表面（面积）的影响更大。
在一个给定的规划上，慎重考虑不同力的份额因子能够提醒其间最相关的物理现象。表面张力的份额因子是S1，压力以及静电相关的力是S2，磁场力是S3，以及重力为S4。这就解说了水黾（或“水臭虫”）为什么能够在水面上行走，以及为何一对滚球轴承的体现与一个双星体系不同。虽然任何规划中都需求开发完好的数学模型，但份额因子有助于辅导咱们怎么规划MEMS巨细的器材。
子体系建模
因为亚毫米器材的直观性不强，模型对MEMS规划来说十分必要。一般来说，一个完好的微机电体系过分杂乱，难以从全体上进行模型剖析，因而，一般需求将该模型划分为多个子体系。
子体系建模的其间一种办法是按功用进行分类，比方传感器、作动器、微电子元件、机械结构等。集总元件建模选用了这种办法，将体系的物理部分表明为理想化特征的别离元件。电子电路以相同的办法进行建模，运用理想化的电阻、%&&&&&%、二极管以及各种杂乱元件。据咱们了解，在能够的情况下，电路建模时电气工程师会运用大大简化的基尔霍夫电路规律，而不是运用麦克斯韦方程。
再次，好像电子范畴相同，体系能够运用框图进行更笼统的建模。在该层次上，能够十分方便地将每个元件的物理特性放置在一边，而仅运用传递函数来描绘体系。这种MEMS模型将更有利于操控理论技能，这是最高功用规划的一套重要东西。
规划集成
虽然规范IC规划一般由一系列进程组成，但MEMS规划则天壤之别；规划、布局、资料以及MEMS封装本质上是交错在一起的。正因为如此，MEMS规划比%&&&&&%规划更杂乱——一般要求每一个规划“阶段”同步开展。
MEMS封装进程或许是与CMOS规划不合最大的当地。 MEMS封装首要是指维护设备免受环境危害，一起还供给一个对外接口以及减轻不必要的外部压力。 MEMS传感器一般需求进行应力丈量，过大的应力或许因器材变形及传感器漂移而影响正常功用。
每个MEMS规划的封装往往是仅有的，而且有必要进行专门规划。众所周知，在工业中封装本钱占总本钱的很大一部分——在某些情况下会超越50％。
MEMS封装没有统一规范，仅最近就有多种封装技能出现，其间包含MEMS晶圆级封装（WLP）和硅通孔（TSV）技能。
制作
源自微电子，MEMS制作的优势在于批处理。就像其它任何产品，MEMS器材规划量产加大了它的经济效益。好像%&&&&&%制作，MEMS制作中光刻办法往往最具本钱效益，当然也是最常用的技能。但是，其它处理办法，一起兼具长处和缺陷，也在运用，包含化学/物理气相堆积（CVD/ PVD）、外延和干法蚀刻。
虽然很大程度上取决于特定运用，但比较于其电子功用，MEMS器材中运用的资料更垂青它们的机械功用。所需的机械功用或许包含：高刚度，高断裂强度和断裂韧性，化学慵懒，以及高温安稳性。微光学机电体系（MOEMS）或许需求通明的基底，而许多传感器和作动器有必要运用一些压电或压阻资料。
