微机电系统（MEMS）在欧洲也称为微系统技术，在日本也被称为微机械，是一类小尺寸设备。MEMS设备的特征长度范围从1毫米到1微米-比人的头发直径还要小许多倍。

MEMS通常会使用常见机械零件和工具的微观类似物。它们可以具有通道，孔，悬臂，膜，空腔和其他结构，它们是使用类似于集成电路的微制造技术创建的。

如今，存在许多使用MEMS技术的产品，例如微型热交换器，喷墨打印机头，用于高清投影仪的微型镜阵列，压力传感器，红外探测器等等。

我们为什么要使用MEMS？

“他们告诉我的电动机，就像你的小手指上的指甲一样大。市场上有一种设备，他们告诉我，你可以用它在大头针上写祷文。

理查德·费曼（Richard Feynman）在这个经典且有些预言的演讲中说，“底部有足够的空间”，继续描述我们如何在大头针上写下不列颠百科全书的每一卷。但是我们可能会奇怪：为什么要在这么小的面积上进行操作呢？

MEMS设备执行与宏观设备相同的许多任务，同时还具有许多优势。这些中的第一个也是最明显的是小型化。如前所述，与当今的IC相似，MEMS规模的设备足够小，可以批量生产。与IC行业一样，批量制造可以显着降低批量生产的成本。通常，MEMS也需要更少的材料来生产，这可以进一步降低成本。

除了成本比较便宜之外，MEMS器件也比其更大的同类器件更适用。在智能手机，照相机，安全气囊控制单元或类似的小型设备中设计金属球和弹簧加速度计充其量是不切实际的。通过将器件尺寸减小几个数量级，MEMS可以用于常规传感器过大的应用中。

图1：TI的DMD像素分解图

易于集成是MEMS技术的另一个优势。因为它们是用与制造ASIC相似的工艺制造的，所以MEMS结构可以更容易地与微电子集成。将MEMS和CMOS结构集成到真正的单片器件中已被证明是极具挑战性的，但是仍在不断取得进步。同时，许多制造商已经采用混合方法来创建商业上成功且具有成本效益的MEMS产品。

德州仪器（TI）数字微镜设备（DMD）就是这样的一个例子。DMD是TI公司的DLP的核心技术，该技术被广泛应用于投影机的单位，从业务和课堂模式，以数字电影。每个16μm方形镜通过其与下面的CMOS存储单元之间的电势被静电驱动。通过在打开和关闭状态之间对反射镜进行脉冲宽度调制来生成灰度图像。通过使用三芯片解决方案（每种原色一个芯片）或一个芯片和一个色轮或RGB LED光源添加颜色。使用后一种技术的设计使DLP芯片与色轮的旋转同步，从而快速连续显示每种颜色，从而使观看者看到单个全光谱图像。

MEMS的最有趣的功能之一，可能是设计人员利用从如此小规模的物理领域出现的特殊物理学的能力。

图2：简化的MEMS加速度计

由于这些原因以及更多原因，许多MEMS产品在商业上相当成功，并且许多设备已经被广泛使用。汽车行业是MEMS技术背后的主要推动力之一。

例如，MEMS振动结构陀螺仪是目前用于汽车防滑或电子稳定性控制系统的新型且相当便宜的设备。村田机电的SCx系列MEMS加速度计，陀螺仪和倾角仪以及这些功能的各种组合驻留在单个芯片上，以支持特定的汽车应用，在狭窄的空间中需要精确的应用。自1990年代以来，几乎所有的汽车都基于MEMS的气囊传感器已普遍取代了机械式碰撞传感器。图2显示了MEMS加速度计的简化示例，类似于可能用作碰撞传感器的加速度计。具有检测质量的悬臂梁连接到一个或多个用作弹簧的固定装置。当传感器沿着光束的轴加速时，光束会移动一定距离，该距离可以作为光束“牙齿”与固定的外部导体之间的电容变化来测量。

许多商业和工业喷墨打印机在打印头中使用基于MEMS的技术来保留墨滴，并仅在需要时才精确地沉积墨滴-一种称为按需滴落（DoD）的技术。通过在压电材料（如锆钛酸铅钛酸盐）构成的元件上施加电势来放置墨滴，使其变形。这增加了打印头的墨水腔室内的压力，迫使非常少量的（相对不可压缩的）墨水从喷嘴中流出。

图3：MEMS按需滴印头

同时，其他MEMS技术才刚刚开始大规模进入市场。诸如欧姆龙（Omron）开发的微机械继电器（MMR）提供了一类更快，更高效且具有前所未有的片上集成度的继电器。欧姆龙还通过其新型的D6T非接触式MEMS热传感器将其MEMS专业知识应用于温度传感器。D6T在MEMS制造过程中集成了ASIC和热电堆元件，从而实现了尺寸仅为18 x 14 x 8.8mm（4x4元件类型）的小型化非接触式热传感器。

当然，当今的MEMS技术不限于单传感器设备。为什么要这样 考虑一下人类的感官：一只眼睛给我们颜色，运动和（一些）位置信息，而两只眼睛则使双眼视觉能够改善深度感知。实际上，我们的许多感性体验需要多种感官结合才能完全有意义。我们的想法是，通过结合感官数据，我们可以弥补每个感官器官的弱点和弊端，并以某种方式获得对环境的理解。在人类环境中，这称为“多峰整合”；在电子领域，这称为传感器融合。传感器融合，特别是与MEMS有关的融合，是移动设备传感器技术的重要发展。许多制造商已经与他们的12轴，提供完整的解决方案，如飞思卡尔的Xtrinsic传感器平台为Windows  8.该平台集成了一个3轴加速计，3轴磁力计，压力传感器，3轴陀螺仪，环境光传感器与ColdFire + MCU结合使用，以提供整体硬件解决方案–然后将其与专有传感器融合软件相结合。

随着MEMS器件的优势获得认可，MEMS市场继续加快步伐。根据YoleDéveloppement的2012年MEMS行业报告，MEMS“在未来六年中将继续保持稳定，可持续的两位数增长”，到2017年将成为一个210亿美元的全球市场。

MEMS设计与制造

在相同程度地承受零件应力的情况下，力随着面积的减小而发生变化，因此重量和惯性之类的东西就不那么重要了。换而言之，材料的比例要大得多，例如，仅当转速以与减小尺寸相同的比例增加时，飞轮在离心力作用下的应力和膨胀才会具有相同的比例。

由于亚毫米设备的非直观特性，MEMS设计特别需要模型。通常，整个微机电系统过于复杂，无法整体进行分析建模，因此通常需要将模型分解为子系统。

一种方法是按功能对零件进行分类，例如传感器，执行器，微电子，机械结构等。集总元件建模使用此方法，将系统的物理零件表示为具有理想特性的离散元件。使用各种复杂度的电阻器，电容器，二极管等理想化方法，以相同的方式对电子电路建模。我们知道，电气工程师将尽可能地使用大大简化的基尔霍夫电路定律，而不是麦克斯韦方程组来对电路建模。

同样，与电子设备一样，可以使用框图对系统进行更抽象的建模。在此级别上，不考虑每个元素的物理性，而是根据传递函数来描述系统变得很方便。这样就产生了一个更有助于控制理论技术的MEMS模型-这是大多数高性能设计的重要工具集。

标准IC设计通常以一系列离散步骤实施，而MEMS设计则大不相同。MEMS的设计，布局，材料和封装在本质上是相互联系的。因此，MEMS设计可能比IC设计更复杂-通常需要同时开发每个设计“阶段”。

MEMS封装是与CMOS设计最大不同的过程。MEMS封装的主要目的是保护器件免受环境破坏，同时还提供接口并减轻不必要的外部应力。MEMS传感器通常使用应力作为测量手段。过度的应力会导致设备变形并引起传感器漂移，从而损害功能。

给定MEMS设计的封装要求通常是唯一的，并且必须专门针对该器件设计封装。在行业中，众所周知，包装可占产品总成本的很大一部分-在某些情况下超过50％。

MEMS封装没有统一的标准，直到最近才出现了任何种类的封装技术，其中包括MEMS晶圆级封装（WLP）和直通硅通孔（TSV）技术。

从微电子学来看，MEMS制造的优势在于分批处理。批量生产就像其他任何产品一样，可为MEMS装置增加规模经济。与IC制造一样，光刻方法通常是最具成本效益的，当然也是最常见的技术。但是，确实也使用了其他过程，包括加法和减法，包括化学/物理气相沉积（CVD / PVD），外延和干法蚀刻。

通常选择MEMS装置中使用的材料是因为其机械性能而不是电性能。尽管在很大程度上取决于给定的应用，但是理想的机械性能可以包括：高刚度，高断裂强度和断裂韧性，化学惰性和高温稳定性。微光机电系统（MOEMS）可能需要透明的基板，而许多传感器和执行器必须使用一定数量的压电或压阻材料。

了解更多有关MEMS器件的绝佳资源是Mouser Electronics。此外，从振荡器，开关，麦克风和电容式触摸传感器到流量，位置，运动，压力，光学和磁性传感器的数百种MEMS器件都可用。MEMS技术将继续增长。MEMS还将继续缩小技被术实施的规模。