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最近，“MEMS芯片”這一概念又一次在科技圈掀起了波瀾。有知名相關(guān)企業(yè)也聲稱這個產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在才剛剛啟航，將來卻潛力無限，就像一棵小樹苗有茁壯成長的希望，讓人不禁好奇：什么是MEMS，對我們這些普通人有什么用？今天，我們就來好好聊聊這種存在于我們生活中的“隱形冠軍”！

再次聊起MEMS芯片，已不再高冷了，之前貼心到日常生活說到MEMS，大家可能想象他像天上的明星，高高在上。其實，它就藏在我們身邊。打個比方，您可能覺得智能手環(huán)的科技感十足，但實際上，里面最重要的部件就是MEMS芯片，它負(fù)責(zé)精準(zhǔn)地記錄你的每一步。簡單來說，就是那種能動的電子零件。

它的神奇之處在于——普通芯片只做“計算”，而MEMS芯片不僅能“算”，還具備成千上萬種靈敏的感應(yīng)功能：它可以讓手機(jī)里的陀螺儀實現(xiàn)精準(zhǔn)的方向定位、幫助醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行微小測量、甚至為你家的空調(diào)自動調(diào)節(jié)溫度！想象一下，連你摘下耳機(jī)的那一瞬間，音樂就自動停止，背后原來是MEMS運(yùn)動傳感器在默默“偵察”。

一、MEMS芯片的介紹

微機(jī)電系統(tǒng)，英文全稱：Micro-Electro-Mechanical Systems，簡稱：MEMS，而MEMS芯片簡而言之就是一種將微型機(jī)械元件、傳感器、致動器以及電子組件集成在一個微型芯片上的技術(shù)。MEMS芯片廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備、醫(yī)療健康、汽車電子、航空航天等領(lǐng)域，具有體積小、重量輕、功耗低、應(yīng)用范圍廣等顯著特點。其中，MEMS傳感器是MEMS芯片中的重要組成部分，主要用于各種環(huán)境或生物信號的檢測，如溫度、壓力、加速度等物理量的檢測，以及流體、氣體的分析檢測。

在整個大的信息系統(tǒng)里有點類似于人的感官系統(tǒng)，例如MEMS麥克風(fēng)芯片相當(dāng)于人的耳朵，可以感知聲音;MEMS揚(yáng)聲器芯片相當(dāng)于人的嘴巴，可以發(fā)出聲音;MEMS加速度計、陀螺儀、磁傳感器芯片相當(dāng)于人的小腦，可以感知方向和速度;MEMS壓力芯片相當(dāng)于人的皮膚，可以感知壓力;MEMS化學(xué)傳感器相當(dāng)于人的鼻腔，可以感知味道和溫濕度。沒有MEMS芯片的人工智能和萬物互聯(lián)，就相當(dāng)于沒有感官器官的人。

MEMS被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的技術(shù)之一，如果半導(dǎo)體微制造被視為第一次微制造革命，MEMS則是第二次革命。通過結(jié)合硅基微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，MEMS具有革命性的工業(yè)和消費(fèi)產(chǎn)品的潛力。

在此需要劃重點的是，MEMS是一種制造技術(shù)，諸如杠桿、齒輪、活塞、發(fā)動機(jī)甚至蒸汽機(jī)都是由MEMS制造的。事實上，MEMS這個詞實際上有一定誤導(dǎo)，因為許多微機(jī)械設(shè)備在任何意義上都不是機(jī)械的。然而，MEMS又不僅僅是關(guān)于機(jī)械部件的微型化或用硅制造東西，它是是一種利用批量制造技術(shù)設(shè)計、創(chuàng)建復(fù)雜機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)及其集成電子設(shè)備的范例。再具化一點講，集成電路的設(shè)計是為了利用硅的電學(xué)特性，而MEMS則利用硅的機(jī)械特性，或者說利用硅的電學(xué)和機(jī)械特性。

當(dāng)然，既然講到MEMS芯片，就一定離不開要講一下的是MEMS傳感器了，那MEMS傳感器又是什么呢？MEMS傳感器就是把一顆MEMS芯片和一顆專用集成電路芯片（ASIC芯片）封裝在一塊后形成的器件。MEMS傳感器里最重要的就是MEMS芯片。MEMS芯片可以把外界的物理、化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號，而ASIC是把MEMS芯片產(chǎn)生的電信號進(jìn)一步處理和傳輸?shù)较乱患夒娐?。沒有MEMS芯片，MEMS傳感器就是一個沒有靈魂的空殼。

簡單來說，MEMS傳感器就是通過微型化的機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換被測量的物理信號為電信號。比如，一個加速度MEMS傳感器，可以通過微型的懸臂梁在受到加速度作用時產(chǎn)生位移，然后通過電容或電阻的變化將這種物理位移轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)對加速度的測量。這種微型化和集成化的特點使MEMS傳感器在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、汽車安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

二、MEMS的發(fā)展歷史

1、編輯微機(jī)電系統(tǒng)是從微傳感器發(fā)展而來的，已有幾次突破性的進(jìn)展；

2、70年代微機(jī)械壓力傳感器產(chǎn)品問世；

3、80年代末研制出硅靜電微馬達(dá)；

4、90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、硅加速度計和數(shù)字微鏡器件等相繼規(guī)?；a(chǎn)；

5、充分展示了微系統(tǒng)技術(shù)及其微系統(tǒng)的巨大應(yīng)用前景；

三、MEMS的優(yōu)點

MEMS是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中后期崛起以來發(fā)展極其迅速，被認(rèn)為是繼微電子之后又一個對國民經(jīng)濟(jì)和軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，將成為21世紀(jì)新的國民經(jīng)濟(jì)增長點和提高軍事能力的重要技術(shù)途徑。

MEMS的優(yōu)點是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩(wěn)定等。MEMS的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。MEMS是當(dāng)前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程等多項科學(xué)技術(shù)工程，將是未來國民經(jīng)濟(jì)和軍事科研領(lǐng)域的新增長點。

MEMS最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個領(lǐng)域，隨著MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS產(chǎn)品需求增勢迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了MEMS產(chǎn)品的身影。

四、MEMS的特點

MEMS發(fā)展的目標(biāo)在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀(jì)MEMS將逐步從實驗室走向?qū)嵱没?，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度：

1、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)時間短。MEMS系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，不僅體積縮小，而且在力學(xué)原理和運(yùn)動學(xué)原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發(fā)生變化。在MEMS系統(tǒng)中，所有的幾何變形是如此之?。ǚ肿蛹墸灾劣诮Y(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性關(guān)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間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)。密度類似于鋁，熱傳導(dǎo)率接近銅和鎢，因此MEMS器件機(jī)械電氣性能優(yōu)良。

2、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)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

3、批量生產(chǎn)

MEMS采用類似集成電路（IC）的生產(chǎn)工藝和加工過程，用硅微加工工藝在一硅片上可同時制造成百上千個微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度，批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本;而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性方面更具競爭力。

4、集成化

可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(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。

5、多學(xué)科交叉

MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

6、方便擴(kuò)展

由于MEMS技術(shù)采用模塊設(shè)計，因此設(shè)備運(yùn)營商在增加系統(tǒng)容量時只需要直接增加器件/系統(tǒng)數(shù)量，而不需要預(yù)先計算所需要的器件/系統(tǒng)數(shù)，這對于運(yùn)營商是非常方便的。

五、MEMS芯片的工作原理

MEMS芯片的工作原理基于微機(jī)械加工技術(shù)與半導(dǎo)體制造技術(shù)的結(jié)合。在硅基片上，通過光刻、蝕刻等工藝，制造出精巧的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子電路，實現(xiàn)對物理、化學(xué)、生物信號的檢測與處理。

首先，MEMS芯片的設(shè)計要求考慮到機(jī)械部分與電子部分的協(xié)同工作。在機(jī)械部分，微型結(jié)構(gòu)根據(jù)其功能被設(shè)計成能夠響應(yīng)外部物理變化（如壓力、溫度、加速度等）的形式。當(dāng)這些微型機(jī)械結(jié)構(gòu)受到特定的物理影響時，會發(fā)生形變，這一形變通過致動機(jī)械與電子接口（如變阻器、變?nèi)萜鳎┺D(zhuǎn)換成電信號。

接著，這些電信號將被送至芯片中的電子信號處理器進(jìn)行放大、過濾和轉(zhuǎn)換，最終輸出為用戶可讀的信號，如數(shù)字信號。這一過程中，集成電路技術(shù)的運(yùn)用至關(guān)重要，它不僅確保了信號處理的準(zhǔn)確性，也使得整個MEMS的體積得以大幅縮小。

六、MEMS芯片的制造過程

MEMS芯片的制造過程涉及多種精密的微加工技術(shù)。這些技術(shù)包括光刻、蝕刻、沉積等，可以在微米乃至納米尺度上精確地控制材料的形狀和結(jié)構(gòu)。

首先，光刻技術(shù)是MEMS芯片制造中的重要步驟。它使用光敏性的材料（光刻膠）覆蓋在基片上，然后通過遮罩在光刻膠上暴露特定圖案，通過后續(xù)的顯影過程形成所需的微型結(jié)構(gòu)圖案。

接下來，蝕刻過程用于去除光刻過程中形成的圖案外圍的材料，從而在基片上形成微型結(jié)構(gòu)。蝕刻技術(shù)分為濕法蝕刻和干法蝕刻兩種，濕法蝕刻使用化學(xué)溶液對材料進(jìn)行侵蝕，而干法蝕刻則使用等離子體來實現(xiàn)更為精確的材料去除。

沉積是另一種關(guān)鍵的MEMS制造過程，它涉及將薄膜材料沉積到基片或已有的微型結(jié)構(gòu)上。通過控制沉積的條件，可以精確控制沉積材料的厚度和性質(zhì)。沉積技術(shù)包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等。

七、MEMS芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS芯片的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋從智能設(shè)備到汽車電子、醫(yī)療健康乃至航空航天等眾多領(lǐng)域。

1、智能設(shè)備領(lǐng)域

MEMS傳感器被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦中，用于實現(xiàn)屏幕旋轉(zhuǎn)、步數(shù)跟蹤等功能。例如，加速度傳感器可以檢測設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)和方向，為用戶提供動態(tài)的屏幕顯示效果。

2、汽車電子領(lǐng)域

MEMS傳感器用于實現(xiàn)安全駕駛輔助系統(tǒng)，如空氣質(zhì)量監(jiān)測、胎壓監(jiān)測、碰撞檢測等功能。它們能夠提高汽車的安全性，為駕駛員提供及時的信息反饋。

3、醫(yī)療健康領(lǐng)域

MEMS芯片用于生物檢測、藥物遞送系統(tǒng)等。例如，MEMS芯片可以集成微流體技術(shù)，用于微量的血液分析，使得患者能夠?qū)崿F(xiàn)家庭自我監(jiān)測。

4、航空航天領(lǐng)域

MEMS芯片用于飛行器的導(dǎo)航系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測等。這些傳感器可以承受極端環(huán)境條件，提供精確的數(shù)據(jù)，以保證飛行器的安全和性能。

八、MEMS產(chǎn)業(yè)的特點

MEMS產(chǎn)業(yè)在目前的階段就像是二十年前的手機(jī)，雖有基礎(chǔ)，但潛力巨大。我們來看看這產(chǎn)業(yè)的三大特點：

1、技術(shù)壁壘高

制造MEMS芯片的難度可比拼給蚊子戴眼鏡。每個MEMS芯片都是在極其微小的硅片上進(jìn)行加工，精度高達(dá)0.1微米，而在某些國家和地區(qū)，精度居然達(dá)到了0.01微米，遠(yuǎn)超我國的技術(shù)水平。

2、應(yīng)用廣泛

MEMS的應(yīng)用場景猶如撒野火，越燒越廣。無人機(jī)、醫(yī)療器械、智能農(nóng)業(yè)、家用電器等地方都能看到它的身影。例如，一些高科技農(nóng)業(yè)用MEMS傳感器幫助農(nóng)民更好地把握施肥時機(jī)，甚至在馬桶蓋上安裝MEMS，有助于實時監(jiān)測血糖。

3、國產(chǎn)化進(jìn)程待長大

雖然中國的MEMS紅利正待釋放，目前市面上80%的MEMS依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化率只有30%，在國際大市場上，我們的份額微乎其微。

九、MEMS芯片和集成電路芯片區(qū)別

MEMS芯片和集成電路芯片雖然都是在半導(dǎo)體晶片上的微型元件，但二者還是有些區(qū)別。相比于集成電路芯片，MEMS芯片通過微機(jī)械結(jié)構(gòu)控制物理現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換為電信號輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械與電子之間的互動。集成電路芯片主要利用電流、電磁等方式傳輸信號。

具體來說：MEMS芯片與集成電路一樣，MEMS芯片廣泛采用硅作為晶圓襯底材料，而基于集成電路制造的光刻、薄膜沉積刻蝕、摻雜等單項工藝。相比于集成電路芯片MEMS芯片通過微機(jī)械結(jié)構(gòu)控制物理現(xiàn)象并轉(zhuǎn)換為電信號輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械與電子之間的互動。

普通集成電路芯片是在半導(dǎo)體晶體中，把一個電路中所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，為了在一定面積的晶圓內(nèi)塞入更多的晶體管等元件(這代表更強(qiáng)的性能)，因此集成電路芯片追求更高的制程。

相比集成電路芯片，MEMS芯片包含了機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機(jī)械與電子之間的互動，且微機(jī)電系統(tǒng)由尺寸為1至100微米的部件組成，一般微機(jī)電設(shè)備的通常尺寸在20微米到一毫米之間，相比集成電路芯片不需要追求制程的先進(jìn)性，但更注重制造工藝的開發(fā)。

MEMS芯片有“一種產(chǎn)品一種工藝”的說法，目前沒有一種統(tǒng)一的工藝能滿足全部MEMS器件制造的需求，這也限制了MEMS傳感器的量產(chǎn)和研發(fā)速度，因此通用MEMS工藝成為MEMS傳感器芯片中的研發(fā)重點之一。

十、MEMS芯片的未來趨勢

隨著技術(shù)進(jìn)步和市場需求的增長，MEMS芯片正朝著更小型化、低功耗、高性能的方向發(fā)展。通過新材料、新工藝的研發(fā)應(yīng)用，MEMS芯片將實現(xiàn)功能的多樣化和性能的優(yōu)化。

未來，MEMS芯片將更加集成化，實現(xiàn)更高的性能和更低的成本。這包括集成更多的傳感器和電子電路，以提高系統(tǒng)的整體性能和可靠性。同時，MEMS芯片將更廣泛地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域，成為連接物理世界和數(shù)字世界的重要橋梁。此外，MEMS技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用也將深入，特別是在可穿戴醫(yī)療設(shè)備和智能藥物遞送系統(tǒng)等方面，MEMS芯片將發(fā)揮重要作用，為個性化醫(yī)療和遠(yuǎn)程醫(yī)療提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

十一、MEMS芯片的相關(guān)FAQs

1、MEMS芯片：解析微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

MEMS芯片（Micro-Electro-Mechanical Systems）是一種集成了微觀器件和電子元件的微型硅片。它使用微納技術(shù)，通過將微小的機(jī)械部件與電子芯片相互結(jié)合，來實現(xiàn)機(jī)械、電子和計算機(jī)科學(xué)的交叉融合。這些芯片通常包括微傳感器、微執(zhí)行器和微結(jié)構(gòu)等元件，具有高度集成化、低功耗、小體積、高靈敏度和快速響應(yīng)等特點。

2、MEMS芯片的應(yīng)用領(lǐng)域及優(yōu)勢

MEMS芯片在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。例如，在移動設(shè)備中使用的加速度計和陀螺儀，就是MEMS芯片的典型應(yīng)用。此外，MEMS芯片還被廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、航空航天、工業(yè)自動化等行業(yè)。它的優(yōu)勢包括精確測量、快速反應(yīng)、低功耗、體積小等，在滿足現(xiàn)代科技需求的同時，節(jié)約了能源和材料。

3、MEMS芯片的未來發(fā)展趨勢

隨著科技的不斷進(jìn)步和市場需求的不斷增長，MEMS芯片領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。未來，MEMS芯片將進(jìn)一步推動物聯(lián)網(wǎng)、智能醫(yī)療、無人駕駛等領(lǐng)域的發(fā)展。同時，隨著微納技術(shù)的發(fā)展，MEMS芯片的集成度將不斷提高，功能將更加強(qiáng)大，應(yīng)用范圍也將更加廣泛?？梢灶A(yù)見，MEMS芯片將成為推動科技進(jìn)步的重要驅(qū)動力之一。

十二、總結(jié)一下

未來，MEMS芯片將繼續(xù)改變?nèi)祟惿鐣蜕a(chǎn)效率。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，MEMS芯片將變得更加智能化、高效化和可靠化。在人工智能、汽車、智能穿戴、電子產(chǎn)品、智能家居、醫(yī)療器械和基因測序等領(lǐng)域，MEMS芯片將為人們提供更智能化的解決方案，改善生活品質(zhì)和提高工作效率。

MEMS芯片作為一種集成了微型機(jī)械和電子組件的微型器件，在各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。它們的高精度、高效率和集成度使得MEMS芯片在未來將繼續(xù)發(fā)揮著重要的作用。

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參考文獻(xiàn)：

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3、https://wx.zsxq.com/group/48888542154528 愛在七夕時-知識星球

4、https://www.weibo.com/u/3185658311 @愛在七夕時 的個人主頁 - 微博

審核編輯 黃宇