MEMS

什么是MEMS

MEMS是Micro Electro Mechanical Systems（微机电系统）的缩写，具有微小的立体结构（三维结构），是处理各种输入、输出信号的系统的统称。

是利用微细加工技术，将机械零零件、电子电路、传感器、执行机构集成在一块电路板上的高附加值元件。

MEMS的核心组成

MEMS器件通常包含以下部分：

微机械结构：如悬臂梁、薄膜、齿轮、微镜等，用于感知或执行动作。

传感器：检测物理量（如加速度、压力、温度）。

执行器：将电信号转换为机械运动（如微镜偏转、微泵驱动）。

信号处理电路：ASIC（专用集成电路）用于信号放大、滤波和数字化。

MEMS工艺

MEMS工艺以成膜工序、光刻工序、蚀刻工序等常规半导体工艺流程为基础。

下面介绍MEMS工艺的部分关键技术。

晶圆

SOI晶圆

SOI是Silicon On Insulator的缩写，是指在氧化膜上形成了单晶硅层的硅晶圆。已广泛应用于功率元件和MEMS等，在MEMS中可以使用氧化膜层作为硅蚀刻的阻挡层，因此能够形成复杂的三维立体结构。

TAIKO磨削 　“TAIKO”是DISCO株式会社的商标

TAIKO磨削是DISCO公司开发的技术，在磨削晶圆时保留最外围的边缘，只对其内侧进行磨削。

TAIKO磨削与通常的磨削相比，具有“晶圆曲翘减少”、“晶圆强度更高”、“处理容易”、“与其他工艺的整合性更高”等优点。

晶圆粘合/热剥离片工艺

通过使用支撑晶圆和热剥离片，可以轻松对薄化晶圆进行处理等。

晶圆键合

晶圆键合大致分为“直接键合”、“通过中间层键合”2类。

直接键合不使用粘合剂等，是利用热处理产生的分子间力使晶圆相互粘合的键合，用于制作SOI晶圆等。

通过中间层键合是借助粘合剂等使晶圆互相粘合的键合方法。

蚀刻

各向同性蚀刻与各向异性蚀刻

通过在低真空中放电使等离子体产生离子等粒子，利用该粒子进行蚀刻的技术称为反应离子蚀刻。

等离子体中混合存在着携带电荷的离子和中性的自由基，具有利用自由基的各向同性蚀刻、利用离子的各向异性蚀刻两种蚀刻作用。

硅深度蚀刻

集各向异性蚀刻和各向同性蚀刻的优点于一身的博世工艺技术已经成为了硅深度蚀刻的主流技术。

通过重复进行Si蚀刻⇒聚合物沉积⇒底面聚合物去除，可以进行纵向的深度蚀刻。

侧壁的凹凸因形似扇贝，称为“扇贝形貌”。

成膜

ALD（原子层沉积）

ALD是Atomic Layer Deposition（原子层沉积）的缩写，是通过重复进行材料供应（前体）和排气，利用与基板之间的表面反应，分步逐层沉积原子的成膜方式。

通过采用这种方式，只要有成膜材料可以通过的缝隙，就能以纳米等级的膜厚控制，在小孔侧壁和深孔底部等部位成膜，在深度蚀刻时的聚合物沉积等MEMS加工中形成均匀的成膜。

MEMS器件及应用

1. MEMS传感器类

（1）惯性传感器

加速度计

原理：检测质量块在加速度作用下的位移（电容/压阻变化）。

应用：

消费电子：手机屏幕自动旋转（如Bosch BMI系列）。

汽车：碰撞检测（安全气囊触发）。

工业：振动监测（预测性维护）。

陀螺仪

原理：利用科里奥利力测量角速度（振动结构+电容检测）。

应用：

无人机：飞行姿态稳定（如STMicroelectronics L3GD20H）。

智能手机：防抖（OIS光学防抖）。

导航：惯性导航系统（INS）。

（2）环境传感器

压力传感器

原理：薄膜变形引起压阻/电容变化。

应用：

汽车：胎压监测（TPMS）、进气歧管压力检测。

医疗：血压计、呼吸机。

气象：高度计（无人机/智能手机）。

MEMS麦克风

原理：声波振动膜改变电容，转换为电信号。

应用：

消费电子：TWS耳机（如Knowles SiSonic）、智能音箱。

安防：语音唤醒、噪声消除。

气体传感器

原理：气体吸附导致材料电阻/频率变化（如金属氧化物半导体）。

应用：

工业：可燃气体泄漏检测（如Figaro TGS2600）。

智能家居：空气质量监测（CO₂、VOCs）。

（3）光学传感器

环境光传感器

原理：光电二极管检测光照强度。

应用：手机屏幕自动亮度调节（如AMS TSL2585）。

2. MEMS执行器类

（1）MEMS微镜

原理：静电/电磁驱动微镜偏转，控制光路。

应用：

激光雷达（LiDAR）：扫描式LiDAR（如Luminar的MEMS扫描镜）。

投影显示：TI的DLP技术（数字微镜阵列，DMD）。

光通信：光纤开关、波长选择开关（WSS）。

（2）微流体执行器

微泵/微阀

原理：压电/热驱动液体流动。

应用：

医疗：便携式药物输送（胰岛素泵）。

实验室芯片（Lab-on-a-Chip）：DNA分析、微流控PCR。

（3）RF MEMS

RF开关/滤波器

原理：机械接触调节射频信号路径。

应用：

5G通信：天线调谐（如Qorvo的BAW滤波器）。

卫星通信：低损耗高频信号切换。

3. 光学MEMS

DLP（数字光处理）

原理：数百万个微镜阵列快速开关，反射光线生成图像。

应用：投影仪（如极米、坚果投影仪）、3D打印（光固化）。

MOEMS（微光机电系统）

应用：可调谐激光器、自适应光学（天文望远镜）。