雖然大部分人對于MEMS（Microelectromechanical systems， 微機電系統/微機械/微系統）還是感到很陌生，但是其實(shí)MEMS在我們生產(chǎn)，甚至生活中早已無(wú)處不在了，智能手機，健身手環(huán)、打印機、汽車(chē)、無(wú)人機以及VR/AR頭戴式設備，部分早期和幾乎所有近期電子產(chǎn)品都應用了MEMS器件。
MEMS是一門(mén)綜合學(xué)科，學(xué)科交叉現象及其明顯，主要涉及微加工技術(shù)，機械學(xué)/固體聲波理論，熱流理論，電子學(xué)，生物學(xué)等等。MEMS器件的特征長(cháng)度從1毫米到1微米，相比之下頭發(fā)的直徑大約是50微米。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，正在逐漸取代傳統機械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域幾乎都有研究，不論是消費電子產(chǎn)品、汽車(chē)工業(yè)、甚至航空航天、機械、化工及醫藥等各領(lǐng)域。常見(jiàn)產(chǎn)品有壓力傳感器，加速度計，陀螺，靜電致動(dòng)光投影顯示器，DNA擴增微系統，催化傳感器。
MEMS的快速發(fā)展是基于MEMS之前已經(jīng)相當成熟的微電子技術(shù)、集成電路技術(shù)及其加工工藝。 MEMS往往會(huì )采用常見(jiàn)的機械零件和工具所對應微觀(guān)模擬元件，例如它們可能包含通道、孔、懸臂、膜、腔以及其它結構。然而，MEMS器件加工技術(shù)并非機械式。相反，它們采用類(lèi)似于集成電路批處理式的微制造技術(shù)。批量制造能顯著(zhù)降低大規模生產(chǎn)的成本。若單個(gè)MEMS傳感器芯片面積為5 mm x 5 mm，則一個(gè)8英寸（直徑20厘米）硅片（wafer）可切割出約1000個(gè)MEMS傳感器芯片（圖1），分攤到每個(gè)芯片的成本則可大幅度降低。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大加工硅片半徑（切割出更多芯片），減少工藝步驟總數，以及盡可能地縮傳感器大小。
圖1. 8英寸硅片上的MEMS芯片（5mm X 5mm）示意圖
圖2. 硅片，其上的重復單元可稱(chēng)為芯片（chip 或die）
MEMS需要專(zhuān)門(mén)的電子電路IC進(jìn)行采樣或驅動(dòng)，一般分別制造好MEMS和IC粘在同一個(gè)封裝內可以簡(jiǎn)化工藝，如圖3。不過(guò)具有集成可能性是MEMS技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。正如之前提到的，MEMS和ASIC （專(zhuān)用集成電路）采用相似的工藝，因此具有極大地潛力將二者集成，MEMS結構可以更容易地與微電子集成。然而，集成二者難度還是非常大，主要考慮因素是如何在制造MEMS保證IC部分的完整性。例如，部分MEMS器件需要高溫工藝，而高溫工藝將會(huì )破壞IC的電學(xué)特性，甚至熔化集成電路中低熔點(diǎn)材料。MEMS常用的壓電材料氮化鋁由于其低溫沉積技術(shù)，因為成為一種廣泛使用post-CMOS compatible（后CMOS兼容）材料。雖然難度很大，但正在逐步實(shí)現。與此同時(shí)，許多制造商已經(jīng)采用了混合方法來(lái)創(chuàng )造成功商用并具備成本效益的MEMS 產(chǎn)品。一個(gè)成功的例子是ADXL203，圖4。ADXL203是完整的高精度、低功耗、單軸/雙軸加速度計，提供經(jīng)過(guò)信號調理的電壓輸出，所有功能均集成于一個(gè)單芯片IC中。這些器件的滿(mǎn)量程加速度測量范圍為±1.7 g，既可以測量動(dòng)態(tài)加速度（例如振動(dòng)），也可以測量靜態(tài)加速度（例如重力）。（ADXL203 精密±1.7g 雙軸iMEMS? 加速度計數據手冊及應用電路，http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADXL103_203.pdf）
圖3. MEMS與IC在不同的硅片上制造好了再粘合在同一個(gè)封裝內（Andreas C. Fischer ; Fredrik Forsberg ; Martin Lapisa ; Simon J. Bleiker ; G?ran Stemme ; Niclas Roxhed ; Frank Niklaus，Integrating MEMS andICs，Microsystems & Nanoengineering， 2015， Vol.1. Integrating MEMS and ICs ： Microsystems & Nanoengineering）
圖4. ADXL203（單片集成了MEMS與IC）
NEMS（納機電系統）
NEMS（Nanoelectromechanical systems， 納機電系統）與MEMS類(lèi)似，主要區別在于NEMS尺度/重量更小，諧振頻率高，可以達到極高測量精度（小尺寸效應），比MEMS更高的表面體積比可以提高表面傳感器的敏感程度，（表面效應），且具有利用量子效應探索新型測量手段的潛力。
首個(gè)NEMS器件由IBM在2000年展示， 如圖5所示。 器件為一個(gè) 32X32的二維懸臂梁（2D cantilever array）。該器件采用表面微加工技術(shù)加工而成（MEMS中采用應用較多的有體加工技術(shù)，當然MEMS也采用了不少表面微加工技術(shù)，關(guān)于微加工技術(shù)將會(huì )在之后的專(zhuān)題進(jìn)行介紹）。該器件設計用來(lái)進(jìn)行超高密度，快速數據存儲，基于熱機械讀寫(xiě)技術(shù)（thermomechanical writing and readout），高聚物薄膜作為存儲介質(zhì)。該數據存儲技術(shù)來(lái)源于A(yíng)FM（原子力顯微鏡）技術(shù)，相比磁存儲技術(shù)，基于A(yíng)FM的存儲技術(shù)具有更大潛力。
快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)（Fast thermomechanical writing）基于以下概念（圖6），‘寫(xiě)入’時(shí)通過(guò)加熱的針尖局部軟化/融化polymer，同時(shí)施加微小壓力，形成納米級別的刻痕，用來(lái)代表一個(gè)bit。加熱時(shí)通過(guò)一個(gè)位于針尖下方的阻性平臺實(shí)現。對于‘讀’，施加一個(gè)固定小電流，溫度將會(huì )被加熱平臺和存儲介質(zhì)的距離調制，然后通過(guò)溫度變化讀取bit。 而溫度變化可通過(guò)熱阻效應（溫度變化導致材料電阻變化）或者壓阻效應（材料收到壓力導致形變，從而導致導致材料電阻變化）讀取。
圖5. IBM 二維懸臂梁NEMS掃描電鏡圖（SEM）其針尖小于20nm
圖6.快速熱機械寫(xiě)入技術(shù)示意圖
通信/移動(dòng)設備
圖7. 智能手機簡(jiǎn)化示意圖（How MEMS Enable Smartphone Features，http://smartphoneworld.me/mobile-commerce-2-0-where-payments-location-and-advertising-converge）
在智能手機中，iPhone 5采用了4個(gè) MEMS傳感器，三星Galaxy S4手機采用了八個(gè)MEMS傳感器。iPhone 6 Plus使用了六軸陀螺儀&加速度計（InvenSense MPU-6700）、三軸電子羅盤(pán)（AKM AK8963C）、三軸加速度計（Bosch Sensortec BMA280），磁力計，大氣壓力計（Bosch Sensortec BM［280）、指紋傳感器（Authen Tec的TMDR92）、距離傳感器，環(huán)境光傳感器（來(lái)自AMS的TSL2581 ）和MEMS麥克風(fēng)。iphone 6s與之類(lèi)似，稍微多一些MEMS器件，例如采用了4個(gè)MEMS麥克風(fēng)。預計將來(lái)高端智能手機將采用數十個(gè)MEMS器件以實(shí)現多模通信、智能識別、導航/定位等功能。 MEMS硬件也將成為L(cháng)TE技術(shù)亮點(diǎn)部分，將利用MEMS天線(xiàn)開(kāi)關(guān)和數字調諧電容器實(shí)現多頻帶技術(shù)。
以智能手機為主的移動(dòng)設備中，應用了大量傳感器以增加其智能性，提高用戶(hù)體驗。這些傳感器并非手機等移動(dòng)/通信設備獨有，在本文以及后續文章其他地方所介紹的加速度、化學(xué)、人體感官傳感器等可以了解相關(guān)信息，在此不贅敘。此處主要介紹通信中較為特別的MEMS器件，主要為與射頻相關(guān)MEMS器件。
通信系統中，大量不同頻率的頻帶被使用以完成通訊功能，而這些頻帶的使用離不開(kāi)頻率的產(chǎn)生。聲表面波器件，作為一種片外（off-chip）器件，與IC集成難度較大。表面聲波（SAW）濾波器曾是手機天線(xiàn)雙工器的中流砥柱。2005年，安捷倫科技推出基于MEMS體聲波（BAW）諧振器的頻率器件（濾波器），該技術(shù)能夠節省四分之三的空間。BAW器件不同于其他MEMS的地方在于BAW沒(méi)有運動(dòng)部件，主要通過(guò)體積膨脹與收縮實(shí)現其功能。（另外一個(gè)非位移試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(kāi)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)，詳見(jiàn)后續開(kāi)關(guān)專(zhuān)題）。
在此值得一提的事，安華高Avago（前安捷倫半導體事業(yè)部）賣(mài)的如火如荼的薄膜腔聲諧振器（FBAR）。也是前段時(shí)間天津大學(xué)在美國被抓的zhang hao研究的東西。得益于A(yíng)lN氮化鋁壓電材料的沉積技術(shù)的巨大進(jìn)步，AlN FBAR已經(jīng)被運用在iphone上作為重要濾波器組件。下圖為FBAR和為SMR （Solidly Mounted Resonator）。
圖8. FBAR示意圖，壓電薄膜懸空在腔體至上
圖9. SMR示意圖（非懸空結構，采用Bragg reflector布拉格反射層） （SAW/FBAR設備的工作原理及使用范例）
