微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統、微系統、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。主要由傳感器、作動(dòng)器（執行器）和微能源三大部分組成。微機電系統涉及物理學(xué)、半導體、光學(xué)、電子工程、化學(xué)、材料工程、機械工程、醫學(xué)、信息工程及生物工程等多種學(xué)科和工程技術(shù)，為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術(shù)的合成生物學(xué)與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開(kāi)拓了廣闊的用途。
MEMS側重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。它的學(xué)科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學(xué)、機械學(xué)的各分支。 MEMS是一個(gè)獨立的智能系統，可大批量生產(chǎn)，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見(jiàn)的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。
特點(diǎn)
1、和半導體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、調整；
2、進(jìn)一步可以將機械可動(dòng)部、電子線(xiàn)路、傳感器等集成到一片硅板上；
3、它很少占用地方，可以在一般的機器人到不了的狹窄場(chǎng)所或條件惡劣的地方使用；
4、由于工作部件的質(zhì)量小，高速動(dòng)作可能；
5、由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響??；
6、它產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。
優(yōu)勢
經(jīng)濟利益：
1、大批量的并行制造過(guò)程；
2、系統級集成；
3、封裝集成；
4、與IC工藝兼容。
技術(shù)利益：
1、高精度；
2、重量輕，尺寸??；
3、高效能。
概括起來(lái)，MEMS具有以下幾個(gè)基本特點(diǎn)，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。MEMS技術(shù)的目標是通過(guò)系統的微型化、集成化來(lái)探索具有新原理、新功能的元件和系統，是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。其研究?jì)热菀话憧梢詺w納為以下三個(gè)基本方面：
1．理論基礎：在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀(guān)世界基本的物理規律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響（Scaling Effects），許多物理現象與宏觀(guān)世界有很大區別，因此許多原來(lái)的理論基礎都會(huì )發(fā)生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀(guān)摩擦機理等，因此有必要對微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)和微結構學(xué)進(jìn)行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學(xué)科的學(xué)者進(jìn)行基礎研究。
2. 技術(shù)基礎研究：主要包括微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)、微測量等技術(shù)基礎研究。
3. 微機械在各學(xué)科領(lǐng)域的應用研究。
美國已研制成功用于汽車(chē)防撞和節油的微機電系統加速度表和傳感器，可提高汽車(chē)的安全性，節油10%。僅此一項美國國防部系統每年就可節約幾十億美元的汽油費。微機電系統在航空航天系統的應用可大大節省費用，提高系統的靈活性，并將導致航空航天系統的變革。在軍事應用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進(jìn)行把微機電系統應用于個(gè)人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數據存儲器件、小型分析儀器、醫用傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò )開(kāi)關(guān)、環(huán)境與安全監測用的分布式無(wú)人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統為基礎制造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的近10.5個(gè)重力加速度的沖擊力，可以為非制導彈藥提供一種經(jīng)濟的制導系統。設想中的微機電系統的軍事應用還有：化學(xué)戰劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò )等。
MEMS技術(shù)的主要分類(lèi)
1、傳感
傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機械加工出來(lái)的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來(lái)感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學(xué)等各種傳感器，按種類(lèi)分主要有:面陣觸覺(jué)傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。
傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類(lèi)探索自然界的觸角，是各種自動(dòng)化裝置的神經(jīng)元，且應用領(lǐng)域廣泛，未來(lái)將備受世界各國的重視。
2、生物
生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學(xué)/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅動(dòng)泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò )、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫?shí)現樣品的進(jìn)樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過(guò)程。
它把傳統的分析實(shí)驗室功能微縮在一個(gè)芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點(diǎn)。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實(shí)時(shí)通信、連續檢測的特點(diǎn)。
國際上生物MEMS的研究已成為熱點(diǎn)，不久將為生物、化學(xué)分析系統帶來(lái)一場(chǎng)重大的革新。
3、光學(xué)
隨著(zhù)信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學(xué)相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術(shù)等基礎技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型光器件，稱(chēng)為微光機電系統(MOEMS)。
微光機電系統(MOEMS)能把各種MEMS結構件與微光學(xué)器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅動(dòng)和控制等特點(diǎn)。
較成功的應用科學(xué)研究主要集中在兩個(gè)方面:
一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過(guò)反射面的物理運動(dòng)來(lái)進(jìn)行光的空間調制，典型代表為數字微鏡陣列芯片和光柵光閥。
二是通信系統，主要研究通過(guò)微鏡的物理運動(dòng)來(lái)控制光路發(fā)生預期的改變，較成功的有光開(kāi)關(guān)調制器、光濾波器及復用器等光通信器件。
MOEMS是綜合性和學(xué)科交叉性很強的高新技術(shù)，開(kāi)展這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)研究，可以帶動(dòng)大量的新概念的功能器件開(kāi)發(fā)。
4、射頻
射頻MEMS技術(shù)傳統上分為固定的和可動(dòng)的兩類(lèi)。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線(xiàn)、濾波器和耦合器，可動(dòng)的MEMS器件包括開(kāi)關(guān)、調諧器和可變電容。
按技術(shù)層面又分為由微機械開(kāi)關(guān)、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線(xiàn)組成的應用系統層面。
MEMS傳感器的主要應用領(lǐng)域
1、醫療
MEMS傳感器應用于無(wú)創(chuàng )胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術(shù)性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統的聽(tīng)診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數很難測量準確。
具有數字顯示功能的超聲多普勒胎心監護儀，價(jià)格昂貴，僅為少數大醫院使用，在中、小型醫院及廣大的農村地區無(wú)法普及。此外，超聲振動(dòng)波作用于胎兒，會(huì )對胎兒產(chǎn)生很大的不利作用。盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復性的檢查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無(wú)創(chuàng )胎心檢測方法，研制出一種簡(jiǎn)單易學(xué)、直觀(guān)準確的介于胎心聽(tīng)診器和多普勒胎兒監護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫療輔助儀器。
通過(guò)加速度傳感器將胎兒心率轉換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實(shí)現差值放大。然后進(jìn)行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成數字信號。通過(guò)光隔離器件輸入到單片機進(jìn)行分析處理，最后輸出處理結果。
基于MEMS加速度傳感器設計的胎兒心率檢測儀在適當改進(jìn)后能夠以此為終端，做一個(gè)遠程胎心監護系統。醫院端的中央信號采集分析監護主機給出自動(dòng)分析結果，醫生對該結果進(jìn)行診斷，如果有問(wèn)題及時(shí)通知孕婦到醫院來(lái)。該技術(shù)有利于孕婦隨時(shí)檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。
2、汽車(chē)
MEMS壓力傳感器主要應用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動(dòng)機機油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力。
這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應變電阻連接成電路，來(lái)獲得高靈敏度。
車(chē)用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動(dòng)變壓器式、聲表面波式等幾種常見(jiàn)的形式。
而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律，通常由懸掛系統和檢測質(zhì)量組成，通過(guò)微硅質(zhì)量塊的偏移實(shí)現對加速度的檢測，主要用于汽車(chē)安全氣囊系統、防滑系統、汽車(chē)導航系統和防盜系統等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。
其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點(diǎn)，是MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。
微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車(chē)導航的GPS信號補償和汽車(chē)底盤(pán)控制系統，主要有振動(dòng)式、轉子式等幾種。
應用最多的屬于振動(dòng)陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動(dòng)質(zhì)量塊在被基座帶動(dòng)旋轉時(shí)產(chǎn)生的哥氏效應來(lái)感測角速度。
例如汽車(chē)在轉彎時(shí)，系統通過(guò)陀螺儀測量角速度來(lái)指示方向盤(pán)的轉動(dòng)是否到位，主動(dòng)在內側或者外側車(chē)輪上加上適當的制動(dòng)以防止汽車(chē)脫離車(chē)道，通常，它與低加速度計一起構成主動(dòng)控制系統。
3、運動(dòng)追蹤
在運動(dòng)員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來(lái)進(jìn)行3D人體運動(dòng)測量，對每一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行記錄，教練們對結果分析，反復比較，以便提高運動(dòng)員的成績(jì)。
隨著(zhù)MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，MEMS傳感器的價(jià)格也會(huì )隨著(zhù)降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應用。
在滑雪方面，3D運動(dòng)追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀(guān)察能力，除了可提供滑雪板的移動(dòng)數據外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運動(dòng)追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時(shí)間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。
4、消費電子產(chǎn)品
在MEMS Drive出現之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動(dòng)鏡頭組的方式實(shí)現防抖(簡(jiǎn)稱(chēng)鏡頭防抖技術(shù))，受到很大的局限。而另一個(gè)在市場(chǎng)上較高端的防抖技術(shù)：多軸防抖，則是利用移動(dòng)圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動(dòng)，但由于這個(gè)技術(shù)體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無(wú)法在手機上應用。
憑著(zhù)微機電在體積和功耗上的突破，最新技術(shù)MEMS Drive類(lèi)似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達，帶動(dòng)圖像傳感器在三個(gè)旋轉軸移動(dòng)。
MEMS Drive 的防抖技術(shù)是透過(guò)陀螺儀感知拍照過(guò)程中的瞬間抖動(dòng)，依靠精密算法，計算出馬達應做的移動(dòng)幅度并做出快速補償。這一系列動(dòng)作都要在百分之一秒內做完，你得到的圖像才不會(huì )因為抖動(dòng)模糊掉。
MEMS加工
MEMS加工技術(shù)工藝是根據產(chǎn)品需要，在各類(lèi)襯底（硅襯底，玻璃襯底，石英襯底，藍寶石襯底等等）制作微米級微型結構的加工工藝。而IC工藝則側重于半導體器件的制作，其襯底基本以硅襯底為主，少數特殊器件會(huì )使用GaAs/GaN等材料，其工藝核心是為了制作高集成度的各類(lèi)器件，目前已經(jīng)做到納米級，特征尺寸更加精細。
MEMS加工技術(shù)工藝制作的微型結構主要是作為各類(lèi)傳感器和執行器等，其中更加器件原理需要而制作的可動(dòng)結構（齒輪，懸臂梁，空腔，橋結構等等）以及各種功能材料，本質(zhì)上是將環(huán)境中的各種特征參數（溫度，壓力，氣體，流量等等）變化通過(guò)微型結構轉化為各種電信號（電壓，電阻，電流等等）的差異，以實(shí)現小型化高靈敏的傳感器和執行器。
IC工藝則側重各類(lèi)半導體電學(xué)器件的加工，其工作都是圍繞各類(lèi)電學(xué)性能展開(kāi)，不涉及外界環(huán)境物理參數，其要求重點(diǎn)是各類(lèi)器件的高集成和高精度，加工尺寸根據摩爾定律有最初的微米級提升至目前的納米級。其涉及的各類(lèi)材料更多的考量電學(xué)性能優(yōu)化，不關(guān)注環(huán)境參數。
目前工業(yè)中應用的MEMS微機械加工技術(shù)包括：體硅微加工（Bulk Micromachining)、表面微加工(Surface Micromachining)、LIGA工藝（光刻、電鑄和模造），三種工藝方法各有其優(yōu)勢和局限性。
1、體硅微加工
體硅微加工是一種通過(guò)各向異性或各向同性刻蝕襯底的方法在硅襯底上制造各種機械結構器件的技術(shù)。其特點(diǎn)是設備簡(jiǎn)單、投資少，但只能做形狀簡(jiǎn)單的器件，深寬比小的器件。是通過(guò)對硅材料的腐蝕得到的，消耗硅材料較多(有時(shí)稱(chēng)作減法工藝），而且只能以硅材料為加工對象。
2、表面微加工技術(shù)
表面微加工主要是靠在基底上逐層添加材料，通過(guò)用表面生長(cháng)方法及光刻法在表面制造各種微型機械結構器件。在襯底頂面沉積和刻蝕如金屬、多晶硅、氮化物、氧化物、有機材料等。通常使用的沉積技術(shù)是蒸鍍、濺射、絲印、CVD（化學(xué)氣相沉積）、電鍍，等等，也使用干刻蝕和濕刻蝕技術(shù)。其特點(diǎn)是通過(guò)在硅材料上添加各種材料形成所希望的結構，可制作比較復雜的零件，但技術(shù)比較復雜，設備也比較昂貴。
3、LIGA微細加工技術(shù)
LIGA加工是德語(yǔ)光刻(Lithographie)、電鍍（也稱(chēng)電鑄）(Galvanoformung)和壓模(Abformung)的簡(jiǎn)稱(chēng)。LIGA技術(shù)可加工金屬、塑料等非硅材料，同時(shí)可加工深寬比大的零件，這是體微加工和表面微加工難以做到的。但該工藝要通過(guò)同步加速器輻射裝置產(chǎn)生的高能射線(xiàn)作為主要的加工方法，設備昂貴，投資大。
LIGA四個(gè)工藝組成部分：LIGA掩模板制造工藝； X光深層光刻工藝；微電鑄工藝；微復制工藝。
因為mems生產(chǎn)也是同半導體電學(xué)器件的加工一致，所以熱處理擴散工藝也是必須的。其中一個(gè)很重要的過(guò)程就是快速退火RTP，需要的設備就是快速退火爐。RTP主要是利用熱能，將物體內產(chǎn)生的內應力及離子注入后的晶格缺陷消除，RTP的升溫速度快速且均勻，RTP反應室的周?chē)鶠榧訜崞魉鼑?，然后借?zhù)加熱器所釋放的輻射，來(lái)進(jìn)行RTP反應室的加熱，當熱處理時(shí)，這些加熱燈管能以每秒150°C以上的升溫速度，在數秒內，將RTP反應室內的晶片加熱到工藝所需的溫度，待熱處理階段完畢（數十秒至幾分鐘），RTP反應室再從高溫降為原來(lái)的溫度。
此方法能大量節省熱處理時(shí)間和降低生產(chǎn)成本，是熱處理上的一次革新。
國內做半導體產(chǎn)線(xiàn)快速退火爐設備廠(chǎng)家，屈指可數，但是目前只有量伙半導體一家，是專(zhuān)門(mén)研發(fā)中高端設備的，4，6，8，12寸全面覆蓋，小到實(shí)驗室平臺，大到Fab產(chǎn)線(xiàn)，工藝從幾百微米到幾十納米，長(cháng)期的產(chǎn)線(xiàn)實(shí)踐驗證了設備的可靠性和先進(jìn)性。
量伙的4-12英寸的快速退火爐設備
MEMS趨勢及產(chǎn)品
全球MEMS器件市場(chǎng)規模將從2020年的121億美元增長(cháng)至2026年的約182億美元，復合增長(cháng)率為7.2%。預計到2026年，10億美元以上的MEMS細分領(lǐng)域包括射頻類(lèi)MEMS器件、MEMS慣性器件、MEMS壓力傳感器、MEMS聲學(xué)傳感器等。眼下，MEMS產(chǎn)品主要分為傳感器和執行器兩大類(lèi)，其中傳感器是用于探測和檢測物理、化學(xué)、生物等現象和信號的器件，執行器則是用于實(shí)現機械運動(dòng)、力和扭矩等行為的器件。從MEMS器件的市場(chǎng)規模來(lái)看，MEMS產(chǎn)品主要以MEMS傳感器為主。
MEMS產(chǎn)品分類(lèi)
(1)汽車(chē)領(lǐng)域：燃油壓力、輪胎壓力、氣囊壓力以及進(jìn)氣管道等壓力測量
(2)醫療領(lǐng)域：血壓、顱內壓、眼內壓等檢測，以及如持續氣道正壓通氣系統等高端醫療設備的壓力測量
(3)航空航天領(lǐng)域：火箭、衛星、飛機引擎等耐熱腔體的壓力測量
(4)工業(yè)領(lǐng)域：廣泛應用于流程工業(yè)的壓力測量
(5)消費電子領(lǐng)域：運動(dòng)及高度、氣壓、導航數據補償等相關(guān)壓力參數測量
MEMS 市場(chǎng)前列廠(chǎng)商分別為博世(Bosch)、 博通(Broadcom)、Qorvo、意法半導體(ST)、德州儀器(TI)、歌爾(Goertek)、惠普(HP)、樓氏(Knowles)、TDK 和英飛凌(Infineon)。
