微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、半导体、光学、电子工程、化学、材料工程、机械工程、医学、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。

MEMS侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。它的学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。 MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

特点

1、和半导体电路相同，使用刻蚀、光刻等制造工艺，不需要组装、调整；

2、进一步可以将机械可动部、电子线路、传感器等集成到一片硅板上；

3、它很少占用地方，可以在一般的机器人到不了的狭窄场所或条件恶劣的地方使用；

4、由于工作部件的质量小，高速动作可能；

5、由于它的尺寸很小，热膨胀等的影响小；

6、它产生的力和积蓄的能量很小，本质上比较安全。

优势

经济利益：

1、大批量的并行制造过程；

2、系统级集成；

3、封装集成；

4、与IC工艺兼容。

技术利益：

1、高精度；

2、重量轻，尺寸小；

3、高效能。

概括起来，MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统，是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：

1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，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（Scaling Effects），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，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。

2. 技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。

3. 微机械在各学科领域的应用研究。

美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10%。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。

MEMS技术的主要分类

1、传感

传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器，按种类分主要有:面阵触觉传感器、谐振力敏感传感器、微型加速度传感器、真空微电子传感器等。

传感器的发展方向是阵列化、集成化、智能化。由于传感器是人类探索自然界的触角，是各种自动化装置的神经元，且应用领域广泛，未来将备受世界各国的重视。

2、生物

生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器，有一种在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。

它把传统的分析实验室功能微缩在一个芯片上。生物MEMS系统具有微型化、集成化、智能化、成本低的特点。功能上有获取信息量大、分析效率高、系统与外部连接少、实时通信、连续检测的特点。

国际上生物MEMS的研究已成为热点，不久将为生物、化学分析系统带来一场重大的革新。

3、光学

随着信息技术、光通信技术的迅猛发展，MEMS发展的又一领域是与光学相结合，即综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。

微光机电系统(MOEMS)能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起。形成一种全新的功能系统。MOEMS具有体积小、成本低、可批量生产、可精确驱动和控制等特点。

较成功的应用科学研究主要集中在两个方面:

一是基于MOEMS的新型显示、投影设备，主要研究如何通过反射面的物理运动来进行光的空间调制，典型代表为数字微镜阵列芯片和光栅光阀。

二是通信系统，主要研究通过微镜的物理运动来控制光路发生预期的改变，较成功的有光开关调制器、光滤波器及复用器等光通信器件。

MOEMS是综合性和学科交叉性很强的高新技术，开展这个领域的科学技术研究，可以带动大量的新概念的功能器件开发。

4、射频

射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器，可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。

按技术层面又分为由微机械开关、可变电容器和电感谐振器组成的基本器件层面；由移相器、滤波器和VCO等组成的组件层面；由单片接收机、变波束雷达、相控阵雷达天线组成的应用系统层面。

MEMS传感器的主要应用领域

1、医疗

MEMS传感器应用于无创胎心检测，检测胎儿心率是一项技术性很强的工作，由于胎儿心率很快，在每分钟l20～160次之间，用传统的听诊器甚至只有放大作用的超声多普勒仪，用人工计数很难测量准确。

具有数字显示功能的超声多普勒胎心监护仪，价格昂贵，仅为少数大医院使用，在中、小型医院及广大的农村地区无法普及。此外，超声振动波作用于胎儿，会对胎儿产生很大的不利作用。尽管检测剂量很低，也属于有损探测范畴，不适于经常性、重复性的检查及家庭使用。

基于VTI公司的MEMS加速度传感器，提出一种无创胎心检测方法，研制出一种简单易学、直观准确的介于胎心听诊器和多普勒胎儿监护仪之间的临床诊断和孕妇自检的医疗辅助仪器。

通过加速度传感器将胎儿心率转换成模拟电压信号，经前置放大用的仪器放大器实现差值放大。然后进行滤波等一系列中间信号处理，用A/D转换器将模拟电压信号转换成数字信号。通过光隔离器件输入到单片机进行分析处理，最后输出处理结果。

基于MEMS加速度传感器设计的胎儿心率检测仪在适当改进后能够以此为终端，做一个远程胎心监护系统。医院端的中央信号采集分析监护主机给出自动分析结果，医生对该结果进行诊断，如果有问题及时通知孕妇到医院来。该技术有利于孕妇随时检查胎儿的状况，有利于胎儿和孕妇的健康。

2、汽车

MEMS压力传感器主要应用在测量气囊压力、燃油压力、发动机机油压力、进气管道压力及轮胎压力。

这种传感器用单晶硅作材料，以采用MEMS技术在材料中间制作成力敏膜片，然后在膜片上扩散杂质形成四只应变电阻，再以惠斯顿电桥方式将应变电阻连接成电路，来获得高灵敏度。

车用MEMS压力传感器有电容式、压阻式、差动变压器式、声表面波式等几种常见的形式。

而MEMS加速度计的原理是基于牛顿的经典力学定律，通常由悬挂系统和检测质量组成，通过微硅质量块的偏移实现对加速度的检测，主要用于汽车安全气囊系统、防滑系统、汽车导航系统和防盗系统等，除了有电容式、压阻式以外，MEMS加速度计还有压电式、隧道电流型、谐振式和热电偶式等形式。

其中，电容式MEMS加速度计具有灵敏度高、受温度影响极小等特点，是MEMS微加速度计中的主流产品。

微陀螺仪是一种角速率传感器，主要用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，主要有振动式、转子式等几种。

应用最多的属于振动陀螺仪，它利用单晶硅或多晶硅的振动质量块在被基座带动旋转时产生的哥氏效应来感测角速度。

例如汽车在转弯时，系统通过陀螺仪测量角速度来指示方向盘的转动是否到位，主动在内侧或者外侧车轮上加上适当的制动以防止汽车脱离车道，通常，它与低加速度计一起构成主动控制系统。

3、运动追踪

在运动员的日常训练中，MEMS传感器可以用来进行3D人体运动测量，对每一个动作进行记录，教练们对结果分析，反复比较，以便提高运动员的成绩。

随着MEMS技术的进一步发展，MEMS传感器的价格也会随着降低，这在大众健身房中也可以广泛应用。

在滑雪方面，3D运动追踪中的压力传感器、加速度传感器、陀螺仪以及GPS可以让使用者获得极精确的观察能力，除了可提供滑雪板的移动数据外，还可以记录使用者的位置和距离。在冲浪方面也是如此，安装在冲浪板上的3D运动追踪，可以记录海浪高度、速度、冲浪时间、浆板距离、水温以及消耗的热量等信息。

4、消费电子产品

在MEMS Drive出现之前，手机摄像头主要由音圈马达移动镜头组的方式实现防抖(简称镜头防抖技术)，受到很大的局限。而另一个在市场上较高端的防抖技术：多轴防抖，则是利用移动图像传感器(Image Sensor)补偿抖动，但由于这个技术体积庞大、耗电量超出手机载荷，一直无法在手机上应用。

凭着微机电在体积和功耗上的突破，最新技术MEMS Drive类似一张贴在图像传感器背面的平面马达，带动图像传感器在三个旋转轴移动。

MEMS Drive 的防抖技术是透过陀螺仪感知拍照过程中的瞬间抖动，依靠精密算法，计算出马达应做的移动幅度并做出快速补偿。这一系列动作都要在百分之一秒内做完，你得到的图像才不会因为抖动模糊掉。

MEMS加工

MEMS加工技术工艺是根据产品需要，在各类衬底（硅衬底，玻璃衬底，石英衬底，蓝宝石衬底等等）制作微米级微型结构的加工工艺。而IC工艺则侧重于半导体器件的制作，其衬底基本以硅衬底为主，少数特殊器件会使用GaAs/GaN等材料，其工艺核心是为了制作高集成度的各类器件，目前已经做到纳米级，特征尺寸更加精细。

MEMS加工技术工艺制作的微型结构主要是作为各类传感器和执行器等，其中更加器件原理需要而制作的可动结构（齿轮，悬臂梁，空腔，桥结构等等）以及各种功能材料，本质上是将环境中的各种特征参数（温度，压力，气体，流量等等）变化通过微型结构转化为各种电信号（电压，电阻，电流等等）的差异，以实现小型化高灵敏的传感器和执行器。

IC工艺则侧重各类半导体电学器件的加工，其工作都是围绕各类电学性能展开，不涉及外界环境物理参数，其要求重点是各类器件的高集成和高精度，加工尺寸根据摩尔定律有最初的微米级提升至目前的纳米级。其涉及的各类材料更多的考量电学性能优化，不关注环境参数。

目前工业中应用的MEMS微机械加工技术包括：体硅微加工（Bulk Micromachining)、表面微加工(Surface Micromachining)、LIGA工艺（光刻、电铸和模造），三种工艺方法各有其优势和局限性。

1、体硅微加工

体硅微加工是一种通过各向异性或各向同性刻蚀衬底的方法在硅衬底上制造各种机械结构器件的技术。其特点是设备简单、投资少，但只能做形状简单的器件，深宽比小的器件。是通过对硅材料的腐蚀得到的，消耗硅材料较多(有时称作减法工艺），而且只能以硅材料为加工对象。

2、表面微加工技术

表面微加工主要是靠在基底上逐层添加材料，通过用表面生长方法及光刻法在表面制造各种微型机械结构器件。在衬底顶面沉积和刻蚀如金属、多晶硅、氮化物、氧化物、有机材料等。通常使用的沉积技术是蒸镀、溅射、丝印、CVD（化学气相沉积）、电镀，等等，也使用干刻蚀和湿刻蚀技术。其特点是通过在硅材料上添加各种材料形成所希望的结构，可制作比较复杂的零件，但技术比较复杂，设备也比较昂贵。

3、LIGA微细加工技术

LIGA加工是德语光刻(Lithographie)、电镀（也称电铸）(Galvanoformung)和压模(Abformung)的简称。LIGA技术可加工金属、塑料等非硅材料，同时可加工深宽比大的零件，这是体微加工和表面微加工难以做到的。但该工艺要通过同步加速器辐射装置产生的高能射线作为主要的加工方法，设备昂贵，投资大。

LIGA四个工艺组成部分：LIGA掩模板制造工艺； X光深层光刻工艺；微电铸工艺；微复制工艺。

因为mems生产也是同半导体电学器件的加工一致，所以热处理扩散工艺也是必须的。其中一个很重要的过程就是快速退火RTP，需要的设备就是快速退火炉。RTP主要是利用热能，将物体内产生的内应力及离子注入后的晶格缺陷消除，RTP的升温速度快速且均匀，RTP反应室的周围均为加热器所包围，然后借着加热器所释放的辐射，来进行RTP反应室的加热，当热处理时，这些加热灯管能以每秒150°C以上的升温速度，在数秒内，将RTP反应室内的晶片加热到工艺所需的温度，待热处理阶段完毕（数十秒至几分钟），RTP反应室再从高温降为原来的温度。

此方法能大量节省热处理时间和降低生产成本，是热处理上的一次革新。

国内做半导体产线快速退火炉设备厂家，屈指可数，但是目前只有量伙半导体一家，是专门研发中高端设备的，4，6，8，12寸全面覆盖，小到实验室平台，大到Fab产线，工艺从几百微米到几十纳米，长期的产线实践验证了设备的可靠性和先进性。

量伙的4-12英寸的快速退火炉设备

MEMS趋势及产品

全球MEMS器件市场规模将从2020年的121亿美元增长至2026年的约182亿美元，复合增长率为7.2%。预计到2026年，10亿美元以上的MEMS细分领域包括射频类MEMS器件、MEMS惯性器件、MEMS压力传感器、MEMS声学传感器等。眼下，MEMS产品主要分为传感器和执行器两大类，其中传感器是用于探测和检测物理、化学、生物等现象和信号的器件，执行器则是用于实现机械运动、力和扭矩等行为的器件。从MEMS器件的市场规模来看，MEMS产品主要以MEMS传感器为主。

MEMS产品分类

(1)汽车领域：燃油压力、轮胎压力、气囊压力以及进气管道等压力测量

(2)医疗领域：血压、颅内压、眼内压等检测，以及如持续气道正压通气系统等高端医疗设备的压力测量

(3)航空航天领域：火箭、卫星、飞机引擎等耐热腔体的压力测量

(4)工业领域：广泛应用于流程工业的压力测量

(5)消费电子领域：运动及高度、气压、导航数据补偿等相关压力参数测量

MEMS 市场前列厂商分别为博世(Bosch)、 博通(Broadcom)、Qorvo、意法半导体(ST)、德州仪器(TI)、歌尔(Goertek)、惠普(HP)、楼氏(Knowles)、TDK 和英飞凌(Infineon)。