基础科普：带你了解MEMD技术

微机电系统（MEMS）是一种技术，其最一般的形式可以定义为使用微细加工技术制成的小型机械和机电元件（即设备和结构）。MEMS 器件的关键物理尺寸可能从尺寸范围下端的一微米以下到几毫米不等。同样，MEMS 装置的类型可以从没有运动元件的相对简单的结构到在集成微电子学的控制下具有多个运动元件的极其复杂的机电系统而变化。MEMS 的一个主要标准是至少有一些元件具有某种机械功能，无论这些元件是否可以移动。用于定义 MEMS 的术语在世界各地有所不同。在美国，它们主要被称为 MEMS，而在世界其他地区，它们被称为“微系统技术”或“微机械设备”。

尽管 MEMS 的功能元件是小型化的结构，传感器，致动器和微电子器件，但最值得注意的（也许是最有趣的）元件是微传感器和微致动器。微型传感器和微型执行器适当地归类为“换能器”，其定义为将能量从一种形式转换为另一种形式的设备。在微传感器的情况下，该设备通常将测量的机械信号转换为电信号。

在过去的几十年中，MEMS 研究人员和开发人员已经针对几乎所有可能的感应方式（包括温度，压力，惯性力，化学物质，磁场，辐射等）展示了数量众多的微型传感器。值得注意的是，许多此类微型机械传感器已经展示了的表现超过了他们的宏观水平。也就是说，例如压力传感器的微加工版本通常胜过使用最精确的宏观水平加工技术制成的压力传感器。不仅 MEMS 器件的性能出色，而且其生产方法还利用了集成电路行业中使用的批量生产技术，这可以转化为较低的每器件生产成本，以及许多其他好处。因此，不仅可以实现恒星器件的性能，而且可以以相对较低的成本水平实现。毫不奇怪，基于硅的分立式微传感器在商业上得到了迅速的开发，这些设备的市场继续以快速的速度增长。

最近，MEMS 研究与开发团体已经展示了许多微致动器，包括：用于控制气体和液体流量的微阀；光学开关和反射镜，用于重定向或调制光束；用于显示器的独立控制微镜阵列，用于许多不同应用的微谐振器，用于产生正流体压力的微泵，用于调节翼型上气流的微瓣以及许多其他产品。令人惊讶的是，即使这些微致动器非常小，它们也经常会在宏观水平上产生影响。也就是说，这些微型执行器所执行的机械功能远大于其尺寸所暗示的。

例如,由 MNX 制造的表面微机械加工的静电驱动微电机。该设备是基于 MEMS 的微执行器的一个示例。当这些微型传感器，致动器和结构都可以与集成电路（即微电子）一起合并到一个共同的硅基板上时，MEMS 的真正潜力就开始得到满足。在使用集成电路（IC）工艺流程（例如 CMOS，双极或 BICMOS 工艺）制造电子设备的同时，使用兼容的“微加工”工艺制造微机械组件，该工艺选择性地蚀刻掉一部分硅晶片或添加新的结构层形成机械和机电装置。如果 MEMS 不仅可以与微电子技术融合，还可以与其他技术（例如光子学，纳米技术等）融合，则将变得更加有趣。这有时被称为“异构集成”。

虽然更复杂的集成水平是 MEMS 技术的未来趋势，但目前的技术水平相对较低，通常涉及单个离散微传感器，单个离散微致动器，单个与电子器件集成的微型传感器，实质上涉及多种与电子设备集成的相同微传感器，与电子设备集成的单个微致动器，或与电子设备集成的多个基本相同的微致动器。然而，随着 MEMS 制造方法的发展，其前景是巨大的设计自由度，其中任何类型的微传感器和任何类型的微致动器都可以与微电子以及光子学，纳米技术等融合到单个基板上。

MEMS 的愿景是将微传感器，微致动器和微电子技术及其他技术集成到单个微芯片中，这有望成为未来最重要的技术突破之一。通过利用微传感器和微执行器的感知和控制能力来增强微电子的计算能力，这将能够开发智能产品。微电子集成电路可以被认为是系统的“大脑”，而 MEMS 通过“眼睛”和“手臂”增强了这种决策能力，从而允许微系统感知和控制环境。传感器通过测量机械，热，生物，化学，光学和磁性现象从环境中收集信息。然后，电子设备处理从传感器获得的信息，并通过某种决策能力引导执行器通过移动，定位，调节，泵送和过滤进行响应，从而为某些所需结果或目的控制环境。此外，由于 MEMS 器件是使用类似于 IC 的批量制造技术制造的，因此可以以相对较低的成本将前所未有的功能，可靠性和复杂性水平放置在小型硅芯片上。MEMS 技术在其预期的应用领域以及器件的设计和制造方式上都极为多样化和丰富。MEMS 通过实现完整的片上系统已经在革新许多产品类别。

纳米技术是在原子或分子水平上操纵物质以使其在纳米尺度上有用的能力。基本上，有两种实现方法：自顶向下和自底向上。在自上而下的方法中，器件和结构是使用与 MEMS 中使用的许多相同的技术制造的，除了通常通过采用更先进的光刻和蚀刻方法来使它们的尺寸更小之外。自下而上的方法通常涉及沉积，生长或自组装技术。纳米器件相对于 MEMS 的优势主要来自缩放定律，这也可能带来一些挑战。

使用自上而下的纳米技术制造方法制成的一系列亚微米柱一些专家认为，纳米技术有望：允许我们将每个原子或分子基本上放置在所需的位置和位置–即组装的精确位置控制；允许我们制造几乎任何可以在原子或分子水平上指定的符合物理定律的结构或材料；使我们的制造成本不会大大超过制造中所需原材料和能源的成本（即大规模并行性）。

纳米技术中常用的成像技术：表面扫描隧道显微镜图像的彩色图像尽管有时将 MEMS 和纳米技术称为独立和不同的技术，但实际上两者之间的区别并不是很明确。实际上，这两种技术高度依赖。用于检测纳米级单个原子和分子的众所周知的扫描隧道尖端显微镜（STM）是 MEMS 设备。类似地，用于操纵基板表面上单个原子和分子的放置和位置的原子力显微镜（AFM）也是 MEMS 器件。实际上，需要各种 MEMS 技术才能与纳米级领域相接。

同样，许多 MEMS 技术正变得越来越依赖纳米技术来获得成功的新产品。例如，由于检测质量和基板之间的动态使用中粘滞效应，使用 MEMS 技术制造的碰撞安全气囊加速度计的长期可靠性可能会下降。现在，通常使用一种称为自组装单层（SAM）涂层的纳米技术来处理运动中的 MEMS 元件的表面，以防止在产品的使用寿命内发生粘连效应。

许多专家得出的结论是，MEMS 和纳米技术本质上是一种技术，涵盖了人眼无法看到的高度小型化的事物，因此它们是两种不同的标签。注意，即使最先进的 IC 技术通常具有尺寸为几十纳米的器件，在集成电路领域中也存在类似的广义定义，其通常被称为微电子技术。不管 MEMS 和纳米技术是否相同，毫无疑问，这两种技术之间存在着压倒性的相互依存关系，只会随着时间的流逝而增加。也许最重要的是这些技术带来的共同利益，包括：增强的信息功能；系统小型化；新科学产生的微型尺寸的新材料；并增加了系统的功能和自治性。

审核编辑 黄昊宇