什么是MEMS
MEMS全稱(chēng)為Micro Electro-Mechanical System，即微電子機(jī)械系統(tǒng)，它是由電子和機(jī)械元件組成的集成微器件、微系統(tǒng)。MEMS也可以理解為是一個(gè)集成了微型的傳感器、執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源等于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS采用與IC兼容的批處理工藝加工制造而成，其尺度范圍一般從μm級(jí)到毫mm級(jí)。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，目前已有很多領(lǐng)域使用MEMS技術(shù)。比如，執(zhí)行器領(lǐng)域有MEMS微型馬達(dá)、MEMS微型齒輪、MEMS靜電夾具、MEMS繼電器等；傳感器領(lǐng)域有MEMS氣壓傳感器、MEMS加速度計(jì)、MEMS觸覺(jué)傳感器等。
MEMS系統(tǒng)和常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)的不同之處
MEMS系統(tǒng)和普通機(jī)電系統(tǒng)的區(qū)別有很多，但最主要的不同之處在于以下兩點(diǎn)。
兩者的設(shè)計(jì)與制作方法不同
MEMS采用類(lèi)似集成電路(IC)的生產(chǎn)工藝和加工過(guò)程，在硅基底上通過(guò)面和體等加工方式來(lái)制作產(chǎn)品。其中，面微加工技術(shù)是指通過(guò)鍍膜和圖形化工藝在硅晶片表面生成預(yù)期的結(jié)構(gòu)，因而屬于一種添加工藝。體微加工技術(shù)是指通過(guò)刻蝕等方法在襯底的相應(yīng)部位去除材料，因而屬于一種去除工藝。
除此之外，還有一些更為復(fù)雜的MEMS器件，是通過(guò)鍵合技術(shù)把多個(gè)襯底或器件連接在一起制成的。
由于MEMS采用的是類(lèi)似集成電路(IC)的生產(chǎn)方法，因此在一硅片上可同時(shí)制造出成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。這使得MEMS的生產(chǎn)有極高的自動(dòng)化程度，非常適合大批量生產(chǎn)，因此可大大降低生產(chǎn)成本，在經(jīng)濟(jì)性方面更具很高的競(jìng)爭(zhēng)力。
但應(yīng)該注意的是，不是所有的MEMS器件都是使用集成電路(IC)的制造方法的，一些常規(guī)機(jī)械系統(tǒng)使用的加工方法（電火花、注模等）通過(guò)改進(jìn)后也可以用來(lái)生產(chǎn)MEMS器件。
尺度效應(yīng)
在MEMS的尺度范圍內(nèi)（μm級(jí)到毫mm級(jí)），宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來(lái)的影響，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別。因此許多原來(lái)的理論基礎(chǔ)都會(huì)發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理等。
比如將某物體的尺寸按比例縮小到原來(lái)的1/10，則該物體所受的與表面積有關(guān)的力（如粘性阻力、靜電力）將縮小到原來(lái)的1/100，其所受的與體積有關(guān)的力（如重力或慣性力）將縮小到原來(lái)的1/1000。相比之下，該物體所受的與表面積相關(guān)的力就變得更為突出，表面效應(yīng)十分明顯。另外，由于尺度變小了，材料的力學(xué)性質(zhì)（如強(qiáng)度、剛度、彈性等）也會(huì)發(fā)生變化，這主要是因?yàn)榫Я＞鶆蛐?、材料缺陷、?yīng)力殘余等情況發(fā)生了改變。
因此，可以說(shuō)MEMS系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單按比例縮小的常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)的副本，兩者是有本質(zhì)上的區(qū)別的。
MEMS的特點(diǎn)
相比于常規(guī)機(jī)電系統(tǒng)，MEMS有很多的特點(diǎn)。
微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。
生產(chǎn)批量化：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS，批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。
系統(tǒng)級(jí)的集成：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。
以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類(lèi)似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。
使用環(huán)境多樣化：可以安裝在極小空間中，也可以工作與高溫與放射性等惡劣環(huán)境中，依靠其全自動(dòng)控制或遙控的能力，能夠完成諸多常規(guī)機(jī)電設(shè)備難以完成的任務(wù)。
MEMS傳感器
較為廣泛使用的MEMS傳感器有很多種，比如MEMS壓阻式壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的絕對(duì)壓力、MEMS電容式壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)汽車(chē)輪胎氣壓、MEMS加速度傳感器用于汽車(chē)安全氣囊的控制、MEMS陀螺儀用于運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)及體感設(shè)備、MEMS流量傳感器用于微流體的測(cè)量、MEMS硅微麥克風(fēng)等等。
最早的MEMS壓阻式加速度計(jì)（也是最早的MEMS加速度計(jì)）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它是用于生物醫(yī)學(xué)的移植，以測(cè)量心壁加速度的。該加速度計(jì)是用一塊硅片與兩塊硼硅膠玻璃片通過(guò)陽(yáng)極鍵合而成的，由此形成了質(zhì)量塊的封閉腔。為了讓質(zhì)量塊有活動(dòng)余量，要對(duì)玻璃進(jìn)行各項(xiàng)同性腐蝕以形成空腔。在連接質(zhì)量塊與硅支撐邊緣的可彎曲梁上有一個(gè)擴(kuò)散形成的壓敏電阻，質(zhì)量塊的位移就是通過(guò)它來(lái)檢測(cè)的。該器件的總體積為2mm×3mm×0.6mm。
