MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

简介

研究机构

发展概述

发展历史

芯片外设计考虑

MEMS书籍

发展前景

产品应用

简介

MEMS是微机电系统的缩写。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

MEMS的相关技术

1．微系统设计技术 主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

2．微细加工技术 主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X 射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA 加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

3．微型机械组装和封装技术 主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术。

4．微系统的表征和测试技术 主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

目前，常用的制作MEMS 器件的技术主要有三种。

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS 器件。

第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。

上述第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS 的主流技术。LIGA 技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此也是一种比较重要的MEMS 加工技术。LIGA 技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。第一种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。下面主要介绍 LIGA 和硅MEMS 技术。

LIGA 技术 ：LIGA 技术是将深度X 射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。LIGA 技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X 射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。

LIGA 技术为MEMS 技术提供了一种新的加工手段。利用LIGA 技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，而用它制造的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。

硅基MEMS 技术：以硅为基础的微机械加工工艺也分为多种，传统上往往将其归纳为两大类，即体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。

在以硅为基础的MEMS 加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液主要有EPW和KOH 等，EPW 和KOH 对浓硼掺杂硅的腐蚀速率很慢，因此可以利用各向异性腐蚀和浓度选择腐蚀的特点将硅片加工成所需要的微机械结构。利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点，采用干法等离子体刻蚀技术已经成为微机械加工技术的主流

。随着集成电路工艺的发展，干法刻蚀深宽比大的硅槽已不再是难题。例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。

在MEMS 工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。

研究机构

东南大学MEMS重点实验室研究重点在不太耗资金，但是前景不错的MEMS CAD

北京大学微电子研究院MEMS研究所国内最早提供MEMS代工，有RF MEMS、MEMS陀螺、微流控芯片、生物MEMS、NEMS等多个研究方向

西北工业大学微纳米系统实验室面向国防建设，致力于航空航天机载设备、武器的微型化，集成化、信息化；结合西部大开发，促进高新技术产业化。产、学、研相结合，开展微/纳米系统及其相关技术的研究。

清华大学室微电子学研究所微纳器件与系统研究室主要研究各种新型微纳器件以及由它们构成的系统，研究范围是：新器件与系统、新技术与工艺、新电路与模型、新材料与结构、新概念与原理。目前有两个主要研究方向：新型微电子器件与系统，纳电子学。

中科院上海微系统研究所基本实现了微型惯性器件MEMS工艺小批量制造能力，实现了4英寸硅片上的高g传感器批量制造，开展了两维和三维高g传感器的研发和具有电自测功能的传感器

中电集团十三所国家863计划MEMS专项基地，加速度传感器、陀螺仪、碰撞传感器、倾角传感器、振动传感器、流量传感器、光开关、光衰减器、光反射镜、RF开关、微波移相器、微波带通滤波器

中电集团二十四所模拟IC生产经验+MEMS工艺开发经验，擅长MEMS与电路的集成

中电集团四十九所已经掌握了如产品的批生产质量控制技术和批生产成本控制等MEMS产业化技术，拥有自主知识产权

中电集团五十五所擅长RF MEMS和声表面波器件

上海交通大学微纳科学技术研究院非硅MEMS加工

中北大学微米纳米研究中心MEMS器件及系统，包括微惯性器件的设计与仿真、微气体检测传感器设计、加工及制造

大连理工大学微系统研究中心微机密齿轮制造、微操作与微装配平台研究以及mems工艺开发等

发展概述

MEMS是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺 ，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：MEMS会给人类社会带来另一次技术革命，它将对21世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术。

制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品。但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本。

解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是MEMS，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上。MEMS对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小。事实上，大多数消费类电子产品所用MEMS元件的性能比已经出现的同类技术大有提高。

手持式设备制造商正在逐渐意识到MEMS的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸，而且开始转向成功的MEMS公司，其所实现的成本削减幅度之大，将影响整个消费类电子世界，而不仅是高端装置。MEMS在整个20世纪90年代都由汽车工业主导；在过去几年中，由于iPhone和Wii的出现，使全世界的工程师都看到运动传感器带来的创新，使MEMS在消费电子产业出现爆炸式的增长，成为改变终端产品用户体验以及实现产品差异化的核心要素。

国内MEMS芯片（Die）供应商主要有：上海微系统所、沈阳仪表所、电子部13研究所、北京微电子所等，目前形成生产的主要是MEMS压力传感器芯片（Die）。

发展历史

MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。

第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

芯片外设计考虑

MEMS器件的封装形式是把基于MEMS的系统方案推向市场的关键因素。研究发现，当今基于MEMS的典型产品中，封装成本几乎占去了所有物料和组装成本的20%～40%。由于生产因素的影响，使得封装之后的测试成本比器件级的测试成本更高，这就使MEMS产品的封装选择和设计更加重要。

MEMS器件设计团队在开始每项设计前，以及贯穿在整个设计流程中都必须对封装策略和如何折中进行考虑和给与极大的关注。许多MEMS产品供应商都会把产品封装作为进行市场竞争的主要产品差异和竞争优势。

封装选择规则

设计MEMS器件的封装往往比设计普通集成电路的封装更加复杂，这是因为工程师常常要遵循一些额外的设计约束，以及满足工作在严酷环境条件下的需求。器件应该能够在这样的严苛环境下与被测量的介质非常明显地区别开来。这些介质可能是像干燥空气一样温和，或者像血液、散热器辐射等一样严苛。其他的介质还包括进行测量时的环境，例如，冲击、震动、温度变化、潮湿和EMI/RFI等。

首先，MEMS器件的封装必须能够和环境进行相互影响。例如，压力传感器的压力输入、血液处理器件的流体入口等。MEMS器件的封装也必须满足其他一些机械和散热裕量要求。作为MEMS器件的输出，可能是机械电机或压力的变化，因此，封装的机械寄生现象就有可能与器件的功能相互影响和干扰。

例如，在压阻传感器内，封装应力就会影响传感器的输出。当封装中不同材料混合使用时，它们的膨胀和收缩系数不同，因此，这些变化引起的应力就附加在传感器的压力值中。在光学MEMS器件中，由于冲击、震动或热膨胀等原因而产生的封装应力会使光器件和光纤之间的对准发生偏移。在高精度加速度计和陀螺仪中，封装需要和MEMS芯片隔离以优化性能。

MEMS书籍

1．微机电系统(MEMS)原理、设计和分析，作者：田文超

内容简介：《微机电系统(MEMS)原理、设计和分析》系统地介绍了微机电系统的原理、设计和分析等知识，内容包括微机电系统的基本概念、常用材料、工作原理、分析方法、设计方法、加工工艺、表面特性、检测技术、主要应用以及COMSOL软件、微机电系统模块仿真。《微机电系统(MEMS)原理、设计和分析》可供高等学校机械、电子、仪器、微电子器件专业高年级本科生和研究生使用，也可为相关工程技术人员及科技管理人员提供参考。

2．MEMS可靠性，作者：田畑修

内容简介：《MEMS可靠性》是国际上MEMS可靠性领域第一本专著，共分为两部分。第一部分论述MEMS材料的可靠性内容及主要表征方法，包括MEMS材料的可靠性，微纳压痕仪，鼓胀测试，弯曲测试，单轴张应力测试，片上测试；第二部分论述MEMS器件的可靠性，包括压力传感器可靠性，惯性传感器可靠性，RFMEMS可靠性和光MEMS可靠性。内容新颖，数据充实，适合于微机电系统、微电子、光电子、传感器、通讯技术领域的高年级大学生、研究生和工程技术人员参考。

3．微机电系统应用，作者：Mchanied Fed-el-Hak

内容简介：《微机电系统应用》是MEMS系列图书中的一本，主要介绍MEMS技术应用方面的知识。内容包括：惯性传感器、微机械压力传感器、表面微加工器件、微执行器、湍流传感器与执行器、微机器人技术、微型真空泵、非线性动电器件、微液滴发生器、微热管和微散热器、微通道热沉、流动控制、用于边界层减阻的反应式控制、自由剪切流的MEMS自主控制。《微机电系统应用》主要面向MEMS专业的高年级本科生和研究生，也可供MEMS技术研究人员参考。

发展前景

未来三年，在中国3C产品、汽车电子、医疗电子等产品产量继续保持较快增长的带动下，中国MEMS传感器市场规模有望进一步扩大。此外，不断涌现的新产品以及新应用也成为这一市场持续发展的重要保障。2011-2013年，中国MEMS传感器市场将持续保持两位数增长水平，但从2012年开始，随着金融危机导致的恢复性增长因素的消退，以及市场基数的增大，中国MEMS传感器市场增速将有所回调。到2013年，中国MEMS传感器市场销售额预计将达214.2亿元。

具体在产品上，主力产品加速度、压力传感器、喷墨头等产品技术已经相对成熟和稳定，技术研发主要体现在性能及指标的优化。DMD微镜阵列为更好应用于手机等便携设备，其尺寸的进一步微缩也成为研发重点。除传统产品外，不断涌现的新产品如地磁传感器的规模化应用也成为整体MEMS传感器市场的一大亮点。此外，一些前沿产品如新型MEMS振荡器、基于MEMS技术的存储器、MEMS电池也正处于研发阶段中，并有望在未来三到五年实现良好的经济效益。另外，在产品形态上，一些MEMS传感器产品已经从原来单独的芯片向模块和系统解决方案升级，以加快产品上市进程和应用推广。

产品应用

1．任天堂的Wii

搭载运动传感器（Motion sensor）的 Wii 手柄采用了ST的3轴加速度传感器。

2.Guitar Hero: World Tour

游戏吉他中使用了飞思卡尔公司的MMA7360L三轴加速计

3．iPhone

iPhone将使用MEMS陀螺仪，iPhone可以在很多应用中使用该技术，比如保龄球、高尔夫等运动游戏。

另外，该项技术还可以将iPhone和桌面PC游戏结合在一起。任天堂和索尼都已经使用该项技术做为和其它系统相连的游戏控制器，苹果也已经将iPhone用作Mac笔记本的遥控设备，因此，我们可能很快就可以看到苹果将iPhone用作PC上的游戏控制设备。

4．奥林巴斯数码相机 u1050SW

奥林巴斯新近推出一款数码相机，使用者可通过敲击LCD显示屏或机身外壳来改变设置、拍照和查看拍摄的照片。例如，当使用者在滑雪坡道上拍照时，无需脱下手套即可操作相机。另外，该款隶属“u-SW”系列的编号“u1050SW”的相机，具有增强的防水、防尘和防撞击特点。

5．MEMS麦克风

国内主要的MEMS麦克风生产厂家有：山东歌尔声学、苏州敏芯（Suzhou MEMSensing Microsystems）、深圳瑞声（AAC Acoustic Technologies ）

6．GPS辅助导航

MEMS压力传感器可以使GPS导航更精确，Sensor Platforms公司和其它供应商都在开发集成有MEMS航位推算功能的系统，这样你的导航系统就可以跟随你进入建筑物内（甚至是地铁）而不迷路。其它的开发者在开发把GPS、相机、MEMS传感器集成在一个平台，这样导航系统不但知道使用者身处何处，还知道使用者看到些什么，这样屏幕上的数据交互以确定你寻找的建筑物。

7．喷墨打印机的喷墨头

明基电通(BenQ)日前发表新一代应用微机电(MEMS)整合之喷墨单芯片产品，这是该公司自2005年起执行工业局前瞻应用主导性新产品计划的研究成果，随着新一代产品的开发完成，明基希望能藉此开拓更多打印机ODM代工的商业机会。

8．玩具

玩具也装配有MEMS器件。在其动作传感游戏杆之外，Jakks Pacific最近推出了一系列带有动作传感的加速度计的低价玩具，例如，仙女玩具组合中的带有动作传感的魔杖。

9．硬盘跌落保护

10．MEMS微型投影仪全球最大的半导体制造商之一、全球最大的消费性电子和便携设备微机电系统（MEMS）传感器供应商意法半导体[1]（STMicroelectronics，简称ST ；纽约证券交易所代码STM）与bTendo有限公司，宣布签署合作研发与授权协议，携手开发用于智能手机和其它便携消费电子设备的全球最小的微型投影仪（Pico Projector）。