半导体“MEMS（微机电系统）芯片”的详解；

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最近，“MEMS芯片”这一概念又一次在科技圈掀起了波澜。有知名相关企业也声称这个产业现在才刚刚启航，将来却潜力无限，就像一棵小树苗有茁壮成长的希望，让人不禁好奇：什么是MEMS，对我们这些普通人有什么用？今天，我们就来好好聊聊这种存在于我们生活中的“隐形冠军”！

再次聊起MEMS芯片，已不再高冷了，之前贴心到日常生活说到MEMS，大家可能想象他像天上的明星，高高在上。其实，它就藏在我们身边。打个比方，您可能觉得智能手环的科技感十足，但实际上，里面最重要的部件就是MEMS芯片，它负责精准地记录你的每一步。简单来说，就是那种能动的电子零件。

它的神奇之处在于——普通芯片只做“计算”，而MEMS芯片不仅能“算”，还具备成千上万种灵敏的感应功能：它可以让手机里的陀螺仪实现精准的方向定位、帮助医疗设备进行微小测量、甚至为你家的空调自动调节温度！想象一下，连你摘下耳机的那一瞬间，音乐就自动停止，背后原来是MEMS运动传感器在默默“侦察”。

一、MEMS芯片的介绍

微机电系统，英文全称：Micro-Electro-Mechanical Systems，简称：MEMS，而MEMS芯片简而言之就是一种将微型机械元件、传感器、致动器以及电子组件集成在一个微型芯片上的技术。MEMS芯片广泛应用于智能设备、医疗健康、汽车电子、航空航天等领域，具有体积小、重量轻、功耗低、应用范围广等显著特点。其中，MEMS传感器是MEMS芯片中的重要组成部分，主要用于各种环境或生物信号的检测，如温度、压力、加速度等物理量的检测，以及流体、气体的分析检测。

在整个大的信息系统里有点类似于人的感官系统，例如MEMS麦克风芯片相当于人的耳朵，可以感知声音;MEMS扬声器芯片相当于人的嘴巴，可以发出声音;MEMS加速度计、陀螺仪、磁传感器芯片相当于人的小脑，可以感知方向和速度;MEMS压力芯片相当于人的皮肤，可以感知压力;MEMS化学传感器相当于人的鼻腔，可以感知味道和温湿度。没有MEMS芯片的人工智能和万物互联，就相当于没有感官器官的人。

MEMS被认为是21世纪最有前途的技术之一，如果半导体微制造被视为第一次微制造革命，MEMS则是第二次革命。通过结合硅基微电子技术和微机械加工技术，MEMS具有革命性的工业和消费产品的潜力。

在此需要划重点的是，MEMS是一种制造技术，诸如杠杆、齿轮、活塞、发动机甚至蒸汽机都是由MEMS制造的。事实上，MEMS这个词实际上有一定误导，因为许多微机械设备在任何意义上都不是机械的。然而，MEMS又不仅仅是关于机械部件的微型化或用硅制造东西，它是是一种利用批量制造技术设计、创建复杂机械设备和系统及其集成电子设备的范例。再具化一点讲，集成电路的设计是为了利用硅的电学特性，而MEMS则利用硅的机械特性，或者说利用硅的电学和机械特性。

当然，既然讲到MEMS芯片，就一定离不开要讲一下的是MEMS传感器了，那MEMS传感器又是什么呢？MEMS传感器就是把一颗MEMS芯片和一颗专用集成电路芯片（ASIC芯片）封装在一块后形成的器件。MEMS传感器里最重要的就是MEMS芯片。MEMS芯片可以把外界的物理、化学信号转换成电信号，而ASIC是把MEMS芯片产生的电信号进一步处理和传输到下一级电路。没有MEMS芯片，MEMS传感器就是一个没有灵魂的空壳。

简单来说，MEMS传感器就是通过微型化的机械结构，转换被测量的物理信号为电信号。比如，一个加速度MEMS传感器，可以通过微型的悬臂梁在受到加速度作用时产生位移，然后通过电容或电阻的变化将这种物理位移转换为电信号，从而实现对加速度的测量。这种微型化和集成化的特点使MEMS传感器在智能手机、可穿戴设备、汽车安全系统等领域有着广泛的应用。

二、MEMS的发展历史

1、编辑微机电系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展；

2、70年代微机械压力传感器产品问世；

3、80年代末研制出硅静电微马达；

4、90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产；

5、充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景；

三、MEMS的优点

MEMS是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，自八十年代中后期崛起以来发展极其迅速，被认为是继微电子之后又一个对国民经济和军事具有重大影响的技术领域，将成为21世纪新的国民经济增长点和提高军事能力的重要技术途径。

MEMS的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等。MEMS的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与革命。MEMS是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点。

MEMS最初大量用于汽车安全气囊，而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域，随着MEMS技术的进一步发展，以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点，对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛，消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。

四、MEMS的特点

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。MEMS具有以下几个基本特点，微型化、智能化、多功能、高集成度：

1、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。MEMS系统与一般的机械系统相比，不仅体积缩小，而且在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。在MEMS系统中，所有的几何变形是如此之小（分子级），以至于结构内应力与应变之间的线性关系（虎克定律）已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的，而不是由于载荷压力引起。MEMS器件以硅为主要材料。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当。密度类似于铝，热传导率接近铜和钨，因此MEMS器件机械电气性能优良。

2、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。

3、批量生产

MEMS采用类似集成电路（IC）的生产工艺和加工过程，用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。使MEMS有极高的自动化程度，批量生产可大大降低生产成本;而且地球表层硅的含量为2%。几乎取之不尽，因此MEMS产品在经济性方面更具竞争力。

4、集成化

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。

5、多学科交叉

MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

6、方便扩展

由于MEMS技术采用模块设计，因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量，而不需要预先计算所需要的器件/系统数，这对于运营商是非常方便的。

五、MEMS芯片的工作原理

MEMS芯片的工作原理基于微机械加工技术与半导体制造技术的结合。在硅基片上，通过光刻、蚀刻等工艺，制造出精巧的微型机械结构和电子电路，实现对物理、化学、生物信号的检测与处理。

首先，MEMS芯片的设计要求考虑到机械部分与电子部分的协同工作。在机械部分，微型结构根据其功能被设计成能够响应外部物理变化（如压力、温度、加速度等）的形式。当这些微型机械结构受到特定的物理影响时，会发生形变，这一形变通过致动机械与电子接口（如变阻器、变容器）转换成电信号。

接着，这些电信号将被送至芯片中的电子信号处理器进行放大、过滤和转换，最终输出为用户可读的信号，如数字信号。这一过程中，集成电路技术的运用至关重要，它不仅确保了信号处理的准确性，也使得整个MEMS的体积得以大幅缩小。

六、MEMS芯片的制造过程

MEMS芯片的制造过程涉及多种精密的微加工技术。这些技术包括光刻、蚀刻、沉积等，可以在微米乃至纳米尺度上精确地控制材料的形状和结构。

首先，光刻技术是MEMS芯片制造中的重要步骤。它使用光敏性的材料（光刻胶）覆盖在基片上，然后通过遮罩在光刻胶上暴露特定图案，通过后续的显影过程形成所需的微型结构图案。

接下来，蚀刻过程用于去除光刻过程中形成的图案外围的材料，从而在基片上形成微型结构。蚀刻技术分为湿法蚀刻和干法蚀刻两种，湿法蚀刻使用化学溶液对材料进行侵蚀，而干法蚀刻则使用等离子体来实现更为精确的材料去除。

沉积是另一种关键的MEMS制造过程，它涉及将薄膜材料沉积到基片或已有的微型结构上。通过控制沉积的条件，可以精确控制沉积材料的厚度和性质。沉积技术包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等。

七、MEMS芯片的应用领域

MEMS芯片的应用领域非常广泛，涵盖从智能设备到汽车电子、医疗健康乃至航空航天等众多领域。

1、智能设备领域

MEMS传感器被广泛应用于智能手机、平板电脑中，用于实现屏幕旋转、步数跟踪等功能。例如，加速度传感器可以检测设备的运动状态和方向，为用户提供动态的屏幕显示效果。

2、汽车电子领域

MEMS传感器用于实现安全驾驶辅助系统，如空气质量监测、胎压监测、碰撞检测等功能。它们能够提高汽车的安全性，为驾驶员提供及时的信息反馈。

3、医疗健康领域

MEMS芯片用于生物检测、药物递送系统等。例如，MEMS芯片可以集成微流体技术，用于微量的血液分析，使得患者能够实现家庭自我监测。

4、航空航天领域

MEMS芯片用于飞行器的导航系统、环境监测等。这些传感器可以承受极端环境条件，提供精确的数据，以保证飞行器的安全和性能。

八、MEMS产业的特点

MEMS产业在目前的阶段就像是二十年前的手机，虽有基础，但潜力巨大。我们来看看这产业的三大特点：

1、技术壁垒高

制造MEMS芯片的难度可比拼给蚊子戴眼镜。每个MEMS芯片都是在极其微小的硅片上进行加工，精度高达0.1微米，而在某些国家和地区，精度居然达到了0.01微米，远超我国的技术水平。

2、应用广泛

MEMS的应用场景犹如撒野火，越烧越广。无人机、医疗器械、智能农业、家用电器等地方都能看到它的身影。例如，一些高科技农业用MEMS传感器帮助农民更好地把握施肥时机，甚至在马桶盖上安装MEMS，有助于实时监测血糖。

3、国产化进程待长大

虽然中国的MEMS红利正待释放，目前市面上80%的MEMS依赖进口，国产化率只有30%，在国际大市场上，我们的份额微乎其微。

九、MEMS芯片和集成电路芯片区别

MEMS芯片和集成电路芯片虽然都是在半导体晶片上的微型元件，但二者还是有些区别。相比于集成电路芯片，MEMS芯片通过微机械结构控制物理现象并转换为电信号输出，能够实现机械与电子之间的互动。集成电路芯片主要利用电流、电磁等方式传输信号。

具体来说：MEMS芯片与集成电路一样，MEMS芯片广泛采用硅作为晶圆衬底材料，而基于集成电路制造的光刻、薄膜沉积刻蚀、掺杂等单项工艺。相比于集成电路芯片MEMS芯片通过微机械结构控制物理现象并转换为电信号输出，能够实现机械与电子之间的互动。

普通集成电路芯片是在半导体晶体中，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，为了在一定面积的晶圆内塞入更多的晶体管等元件(这代表更强的性能)，因此集成电路芯片追求更高的制程。

相比集成电路芯片，MEMS芯片包含了机械结构实现机械与电子之间的互动，且微机电系统由尺寸为1至100微米的部件组成，一般微机电设备的通常尺寸在20微米到一毫米之间，相比集成电路芯片不需要追求制程的先进性，但更注重制造工艺的开发。

MEMS芯片有“一种产品一种工艺”的说法，目前没有一种统一的工艺能满足全部MEMS器件制造的需求，这也限制了MEMS传感器的量产和研发速度，因此通用MEMS工艺成为MEMS传感器芯片中的研发重点之一。

十、MEMS芯片的未来趋势

随着技术进步和市场需求的增长，MEMS芯片正朝着更小型化、低功耗、高性能的方向发展。通过新材料、新工艺的研发应用，MEMS芯片将实现功能的多样化和性能的优化。

未来，MEMS芯片将更加集成化，实现更高的性能和更低的成本。这包括集成更多的传感器和电子电路，以提高系统的整体性能和可靠性。同时，MEMS芯片将更广泛地应用于物联网、智能家居、可穿戴设备等新兴领域，成为连接物理世界和数字世界的重要桥梁。此外，MEMS技术在医疗健康领域的应用也将深入，特别是在可穿戴医疗设备和智能药物递送系统等方面，MEMS芯片将发挥重要作用，为个性化医疗和远程医疗提供强有力的技术支持。

十一、MEMS芯片的相关FAQs

1、MEMS芯片：解析微电子机械系统的技术创新

MEMS芯片（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种集成了微观器件和电子元件的微型硅片。它使用微纳技术，通过将微小的机械部件与电子芯片相互结合，来实现机械、电子和计算机科学的交叉融合。这些芯片通常包括微传感器、微执行器和微结构等元件，具有高度集成化、低功耗、小体积、高灵敏度和快速响应等特点。

2、MEMS芯片的应用领域及优势

MEMS芯片在许多领域都有广泛的应用。例如，在移动设备中使用的加速度计和陀螺仪，就是MEMS芯片的典型应用。此外，MEMS芯片还被广泛应用于汽车、医疗、航空航天、工业自动化等行业。它的优势包括精确测量、快速反应、低功耗、体积小等，在满足现代科技需求的同时，节约了能源和材料。

3、MEMS芯片的未来发展趋势

随着科技的不断进步和市场需求的不断增长，MEMS芯片领域有着广阔的发展前景。未来，MEMS芯片将进一步推动物联网、智能医疗、无人驾驶等领域的发展。同时，随着微纳技术的发展，MEMS芯片的集成度将不断提高，功能将更加强大，应用范围也将更加广泛。可以预见，MEMS芯片将成为推动科技进步的重要驱动力之一。

十二、总结一下

未来，MEMS芯片将继续改变人类社会和生产效率。随着技术的不断进步，MEMS芯片将变得更加智能化、高效化和可靠化。在人工智能、汽车、智能穿戴、电子产品、智能家居、医疗器械和基因测序等领域，MEMS芯片将为人们提供更智能化的解决方案，改善生活品质和提高工作效率。

MEMS芯片作为一种集成了微型机械和电子组件的微型器件，在各个领域都有广泛的应用。它们的高精度、高效率和集成度使得MEMS芯片在未来将继续发挥着重要的作用。

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参考文献：

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