微机电系统（MEMS）的全称是 Microelectromechanical System，也被称为微系统技术（MST）或微型机械。这是一个涵盖多种微制造设计、方法和机制的术语，核心是在微观尺度上实现可运动的机械部件（如图 1 所示）。

图1 微机电系统（MEMS）的微观尺度范围

简而言之，微机电系统（MEMS）的核心是将传统庞大的机械系统转化为微型化、高性能且易于大规模生产的替代方案，这与集成电路和半导体技术对电气和电子系统的变革作用类似（如图 2 所示）。

图 2 微机电系统（MEMS）麦克风

2. 微机电系统（MEMS）的应用场景

微机电系统（MEMS）广泛应用于传感器、执行器、发生器、能源装置、生化与生物医学系统以及振荡器等领域。

具体应用实例包括：

传感器：MEMS 加速度计、MEMS 陀螺仪、MEMS 压力传感器、MEMS 倾斜传感器及其他类型的 MEMS 谐振传感器

执行器：MEMS 开关、微型泵、微型杠杆和微型夹具

发生器与能源装置：MEMS 振动能量收集器、MEMS 燃料电池和 MEMS 放射性同位素发电机

生化与生物医学系统：MEMS 生物传感器、芯片实验室、MEMS 空气微流体传感器和颗粒传感器

振荡器：用于精准计时和频率控制的 MEMS 振荡器

图 3 微机电系统（MEMS）光开关

在更小的纳米尺度上，这种制造技术会演变为纳机电系统（NEMS）。此外，当微机电系统（MEMS）与其他技术集成时，会形成多种复合形态，例如：

生物微机电系统（bioMEMS）：在微制造器件上实现生化和生物医学功能

微光机电系统（MOEMS/OptoMEMS）：集成微镜等光学系统，在微观尺度上操控或感知光线

射频微机电系统（RFMEMS）：与半导体微电子紧密集成，具备射频转换和开关能力

3. 微机电系统（MEMS）的技术发展

微机电系统（MEMS）器件的首次实验室演示出现在 20 世纪 60 年代，形式为 MEMS 压力传感器。20 世纪 80 年代，相关学术研究进入快速发展阶段；20 世纪 90 年代，商业化开发与制造正式起步。如今，每个人的日常生活中都离不开 MEMS 器件，智能手机、智能手表和运动手环中均有其身影。

过去，飞机驾驶舱中用于确定横滚、俯仰和偏航角度的航空陀螺系统，重量达数千克，长度为几英寸；而如今智能手机中的 MEMS 陀螺仪，重量不足 1 毫克，尺寸仅相当于一粒沙子。随着尺寸的微型化，制造成本也大幅降低，规模经济效益显著提升，这与半导体行业中持续的微型化和成本下降趋势一致。

图 4 微机电系统（MEMS）振动能量收集器]（注：结构包含悬臂梁、电容器、电感器、CMOS 电路、振动能量收集单元）

此外，MEMS 器件还具备低功耗和高灵敏度的特点，这是传统机械器件在物理层面难以实现的。例如，MEMS 谐振应变片的功耗仅为微瓦级，灵敏度可达纳应变范围；而传统金属箔应变片的功耗为数百毫瓦级，最高精度仅能达到数微应变。再如，传统微量天平的精度局限于数十至数百微克，而 MEMS 微量天平的分辨率可达到皮克甚至飞克级。

4. 微机电系统（MEMS）的优缺点

（1）微机电系统（MEMS）的优势

制造极具可扩展性，大规模生产时单位成本极低

MEMS 传感器具备极高的灵敏度

MEMS 开关和执行器可实现极高的工作频率

器件功耗极低

易于与微电子集成，实现嵌入式机电一体化系统

可利用微观尺度下的尺度效应，实现宏观尺度无法达成的设计和动态机制

（2）微机电系统（MEMS）的劣势

任何新型 MEMS 设计或器件的研发阶段成本极高

制造洁净室和晶圆厂设施的前期建设成本昂贵

小批量生产时，制造和组装的单位成本会很高，因此 MEMS 不适用于小众应用场景（除非成本不受限制）

用于表征质量和性能的测试设备价格也较高

5. 微机电系统（MEMS）的制造流程

传统的 MEMS 器件以硅为微机械加工基材。硅晶圆有多种类型，可通过掺杂实现不同的导电水平。此外，还可添加其他功能材料以赋予器件特定性能，例如电极层或压电层。MEMS 的设计与制造包含一系列步骤和循环，具体可概括为：

设计、建模与仿真（采用解析法、数值法、CAD 和有限元分析（FEA）方法）

版图设计与晶圆流片（使用版图编辑器）

基底晶圆准备（如硅、玻璃、石英、不锈钢、塑料等材质）

微制造工艺（循环以下步骤直至获得目标设计）

增材工艺（材料沉积：化学气相沉积、溅射、蒸发、氧化）

图形化工艺（掩模、光刻、接触式光刻、投影式光刻）

减材工艺（材料蚀刻：湿法化学蚀刻、干法离子或等离子体蚀刻、深反应离子蚀刻（DRIE））

芯片切割（激光切割、金刚石锯切割、等离子体蚀刻）

引线键合（与接口电路连接）

封装与密封（气密性密封、塑料 / 陶瓷 / 金属密封、晶圆级封装）

图 5 微机电系统（MEMS）制造步骤（注：流程说明：以基底晶圆为起点，通过掩模和光刻技术转移设计图案，沉积材料并进行图形化处理，去除材料或注入掺杂剂，重复上述过程，最后经过测试、切割、封装并再次测试；核心提示：制造过程需经过多轮增材、减材、图形化和微机械加工步骤）

6. 微机电系统（MEMS）换能器的类型

为了与外界环境交互，MEMS 器件可采用多种转换机制。通常情况下，这些机制是机械-电信号的相互转换，因此可通过接口电路控制 MEMS 器件及其与机械世界的交互。此外，还可利用多种其他类型的换能器，实现与化学、光、磁、射频（RF）等领域的交互。

图 6 微机电系统（MEMS）中的静电梳状驱动器

在硅基 MEMS 中，静电式换能器是传统上最常用的类型。这是因为无需额外的特殊材料，微机械加工后的硅可通过掺杂获得导电性。通过在一对电容平行板之间建立电场，可维持静电力；当机械运动改变平行板间距时，可测量板间的电信号；反之，施加动态电信号可驱动平行板运动。在 MEMS 静电式换能器中，梳齿结构应用广泛，其目的是最大化换能器的电容表面积。

过去十年间，随着压电材料微机械加工制造技术的进步，压电式换能器在 MEMS 设计中的应用也日益广泛。适用于 MEMS 的压电材料通常包括氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、溶胶-凝胶锆钛酸铅（PZT）、薄体 PZT 以及多种铌酸盐复合材料。随着制造技术的进一步成熟，更多功能材料有望与硅微机械加工工艺集成。

MEMS 中常用的换能器类型包括：

静电式

压电式

铁电式

电磁式

摩擦电式

磁致伸缩式

磁式

射频式（RF）

热式（温度梯度或温度波动）

光学式（光能或光信号）

化学式（微流体）

生物与生物医学式

参考资料An introduction to MEMS

来源于老千和他的朋友们，作者孙千