什么是MEMS

MEMS全称为Micro Electro-Mechanical System，即微电子机械系统，它是由电子和机械元件组成的集成微器件、微系统。MEMS也可以理解为是一个集成了微型的传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源等于一体的微型机电系统。MEMS采用与IC兼容的批处理工艺加工制造而成，其尺度范围一般从μm级到毫mm级。

经过多年的发展，目前已有很多领域使用MEMS技术。比如，执行器领域有MEMS微型马达、MEMS微型齿轮、MEMS静电夹具、MEMS继电器等；传感器领域有MEMS气压传感器、MEMS加速度计、MEMS触觉传感器等。

MEMS系统和常规机电系统的不同之处

MEMS系统和普通机电系统的区别有很多，但最主要的不同之处在于以下两点。

两者的设计与制作方法不同

MEMS采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工过程，在硅基底上通过面和体等加工方式来制作产品。其中，面微加工技术是指通过镀膜和图形化工艺在硅晶片表面生成预期的结构，因而属于一种添加工艺。体微加工技术是指通过刻蚀等方法在衬底的相应部位去除材料，因而属于一种去除工艺。

除此之外，还有一些更为复杂的MEMS器件，是通过键合技术把多个衬底或器件连接在一起制成的。

由于MEMS采用的是类似集成电路(IC)的生产方法，因此在一硅片上可同时制造出成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。这使得MEMS的生产有极高的自动化程度，非常适合大批量生产，因此可大大降低生产成本，在经济性方面更具很高的竞争力。

但应该注意的是，不是所有的MEMS器件都是使用集成电路(IC)的制造方法的，一些常规机械系统使用的加工方法（电火花、注模等）通过改进后也可以用来生产MEMS器件。

尺度效应

在MEMS的尺度范围内（μm级到毫mm级），宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别。因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等。

比如将某物体的尺寸按比例缩小到原来的1/10，则该物体所受的与表面积有关的力（如粘性阻力、静电力）将缩小到原来的1/100，其所受的与体积有关的力（如重力或惯性力）将缩小到原来的1/1000。相比之下，该物体所受的与表面积相关的力就变得更为突出，表面效应十分明显。另外，由于尺度变小了，材料的力学性质（如强度、刚度、弹性等）也会发生变化，这主要是因为晶粒均匀性、材料缺陷、应力残余等情况发生了改变。

因此，可以说MEMS系统并不是简单按比例缩小的常规机电系统的副本，两者是有本质上的区别的。

MEMS的特点

相比于常规机电系统，MEMS有很多的特点。

微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

生产批量化：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。

系统级的集成：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

使用环境多样化：可以安装在极小空间中，也可以工作与高温与放射性等恶劣环境中，依靠其全自动控制或遥控的能力，能够完成诸多常规机电设备难以完成的任务。

MEMS传感器

较为广泛使用的MEMS传感器有很多种，比如MEMS压阻式压力传感器用于监测汽车发动机进气歧管的绝对压力、MEMS电容式压力传感器用于监测汽车轮胎气压、MEMS加速度传感器用于汽车安全气囊的控制、MEMS陀螺仪用于运动追踪系统及体感设备、MEMS流量传感器用于微流体的测量、MEMS硅微麦克风等等。

最早的MEMS压阻式加速度计（也是最早的MEMS加速度计）的内部结构如下图所示，它是用于生物医学的移植，以测量心壁加速度的。该加速度计是用一块硅片与两块硼硅胶玻璃片通过阳极键合而成的，由此形成了质量块的封闭腔。为了让质量块有活动余量，要对玻璃进行各项同性腐蚀以形成空腔。在连接质量块与硅支撑边缘的可弯曲梁上有一个扩散形成的压敏电阻，质量块的位移就是通过它来检测的。该器件的总体积为2mm×3mm×0.6mm。