高科技产品中微机电系统应用研究

张霞 刘宏波 顾文 周细应 于治水

摘要：文章以CMOS为引子，概述MEMS的研究性质、主要特征；以通信/移动设备、智能手环为例，解读高科技产品中MEMS的应用状况：最后介绍MEMS与CMOS的差异，提出了我国发展MEMS的基本设想。

关键词：MEMS； CMOS；微加工；交叉学科

虽然大部分人对于微机电系统/微机械/微系统（MicroElectromechanical Systems，MEMS）感到很陌生，但是其实MEMS在人们生活中早己無处不在了。智能手机、健身手环、打印机、汽车、无人机（车）以及可穿戴/植入的VR/AR头戴式设备、物联网等，这些电子产品都应用了MEMS器件（见图1）。

1 MEMS概述

微机电系统技术是建立在微米/纳米技术（ micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术相结合的制造工艺），将机械（运动）构件（装置）、光学系统、发音系统、电控系统、无线驱动、化学分析、计算系统等系统级芯片集成为一个整体单元的微型系统（各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统）。

MEMS是一门新型综合学科，学科交叉现象极其明显，将对未来人类生活产生革命性的影响，主要涉及微加工技术，材料物理与化学、精密光学、电子学，生物学、机械学/固体声波理论，热流理论等。对MEMS的研究主要包括理论基础研究、制造工艺研究及应用研究3类。理论研究主要是研究微尺寸效应、微摩擦、微构件的机械效应以及微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制研究等：制造工艺研究包括微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等；应用研究主要是将所研究的成果，如微型电机、微型阀、微型传感器以及各种专用微型机械投入使用。

2 MEMS特征

MEMS器件的特征长度是1mm～1μm，相比之下头发的直径大约是50μm。MEMS可以看作互补式金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor， CMOS）集成电路的扩展。如果将CMOS比喻为人的大脑和神经网络，那么MEMS就是大脑智慧的“手臂”，为这信息系统提供了获取信号的微传感器和执行命令的微执行器。

MEMS的快速发展是基于MEMS之前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其他结构。然而，MEMS器件加工技术并非机械式。相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。批量制造能显著降低大规模生产的成本。若单个MEMS传感器芯片面积为5 mmX5 mm，则一个8英寸（直径20 cm）硅片（wafer）可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低[1]。因此，MEMS商业化的工程除了提高产品本身性能、可靠性外，还有很多工作集中于扩大加工硅片半径（切割出更多芯片），减少工艺步骤总数，以及尽可能地缩传感器大小。3 MEMS与通信/移动设备 在智能手机中，iPhone 5采用了4个MEMS传感器，三星Galaxy S4手机采用了8个MEMS传感器。iPhone 6 Plus使用了六轴陀螺仪&加速度（InvenSense MPU-6700）、三轴电子罗盘（AKM AK8963C）、三轴加速度计（Bosch SensortecBMA280）、磁力计、大气压力计（Bosch SensortecBMP280）、指纹传感器（Authen Tec的TMDR92）、距离传感器、环境光传感器（来自AMS的TSL2581）和MEMS麦克风。iphone 6s与之类似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4个MEMS麦克风。预计将来高端智能手机将采用数十个MEMS器件以实现多模通信、智能识别、导航/定位等功能。MEMS硬件也将成为LTE技术亮点部分，将利用MEMS天线开关和数字调谐电容器实现多频带技术。

以智能手机为主的移动设备中，应用了大量传感器以增加其智能性，提高用户体验。通信系统中，大量不同频率的频带（例如不同国家间使用不同的频率，2G，3G，LTE，CDMD以及蓝牙、WiFi等不同技术使用不同的通信频率）被使用以完成通信功能，而这些频带的使用离不开频率的产生。声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件，作为一种片外（off-chip）器件，与IC集成难度较大。MEMS的SAW和体声波（Bulk Acoustic Wave，BAW）谐振器的频率器件是手机天线双工器的中流砥柱。另一个MEMS典型例子是依靠材料属性变化的MEMS器件，例如基于相变材料的开关，加入不同电压可以使材料发生相变，分别为低阻和高阻状态。

4 可穿戴/植入式领域与MEMS

可穿戴/植入式MEMS属于物联网重要一部分，主要功能是通过一种更便携、快速、友好的方式（目前大部分精度达不到大型外置仪器的水平）直接向用户提供信息。可穿戴是最受用户关注、最感兴趣的话题，与用户接触，提升消费者科技感，更受年轻用户喜爱，例如Fitbit消费健身手环、苹果手表等如图2所示。

该领域最主要有三大块：消费、健康及工业。健康领域，即医疗领域，主要包括诊断、治疗、监测和护理。比如助听、指标检测（如血压、血糖水平）、体态监测。MEMS几乎可以实现人体所有感官功能，包括视觉、听觉、味觉、嗅觉（如Honeywell电子鼻）、触觉等，各类健康指标可通过结合MEMS与生物化学进行监测。MEMS的采样精度、速度、适用性都可以达到较高水平，同时由于其体积优势可直接植入人体，是医疗辅助设备中关键的组成部分。

传统大型医疗器械优势明显，精度高，但价格昂贵，普及难度较大，且一般一台设备只完成单一功能。相比之下，某些医疗目标通过MEMS传感器，利用其体积小的优势，深入接触测量目标，对体内某些指标进行测量，在达到一定的精度下，降低成本，直接作用于器官或病变组织进行更直接的治疗。同时系统可以通过MEMS能量收集器进行无线供电，多组单元可以通过MEMS通信器进行信息传输，完成多重功能的整合[2]。MEMS医疗前景广阔，尤其需考虑技术难度、可靠性、人体安全等。

5 结语

MEMS传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军。常见的压力传感器、加速度计、陀螺、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统、催化传感器等，将逐渐取代传统机械传感器，在各个领域几乎都有涉及，包括消费电子产品、汽车工业，甚至航空航天、机械、化工及医药等各领域。MEMS与CMOS在各方面依然存在很大差异：（1）设计思路；（2）基底材料；（3）工艺步骤：（4）构件封装；（5）技术生命周期等[3]。我国应充分利用现有基础，紧贴国际MEMS技术发展的大脉搏，根据国家发展战略方针，在对社会经济发展有重要影响的工业自动化、信息技术等行业，掌握与MEMS技术相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成等具有自主知识产权的理论方法和关键技术。