微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro Mechanical System)是指尺寸在幾毫米乃至更小的傳感器裝置，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級(jí)，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)。簡(jiǎn)單理解，MEMS就是將傳統(tǒng)傳感器的機(jī)械部件微型化后，通過(guò)三維堆疊技術(shù)，例如三維硅穿孔TSV等技術(shù)把器件固定在硅晶元(wafer)上，最后根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用特殊定制的封裝形式，最終切割組裝而成的硅基傳感器。受益于普通傳感器無(wú)法企及的IC硅片加工批量化生產(chǎn)帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)，MEMS同時(shí)又具備普通傳感器無(wú)法具備的微型化和高集成度。
傳統(tǒng)ECM駐極體電容麥克風(fēng)/Apple Watch樓氏MEMS硅麥克風(fēng)
MEMS是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一選擇
諸如最典型的半導(dǎo)體發(fā)展歷史：從20世紀(jì)初在英國(guó)物理學(xué)家弗萊明手下發(fā)明的第一個(gè)電子管，到1943年擁有17468個(gè)電子三極管的ENIAC和1954年誕生裝有800個(gè)晶體管的計(jì)算機(jī)TRADIC，到1954年飛兆半導(dǎo)體發(fā)明了平面工藝使得集成電路可以量產(chǎn)，從而誕生了1964年具有里程碑意義的首款使用集成電路的計(jì)算機(jī)IBM360。模擬量到數(shù)字化、大體積到小型化以及隨之而來(lái)的高度集成化，是所有近現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)發(fā)展前進(jìn)的永恒追求，MEMS也不例外。
正因?yàn)镸EMS擁有如此眾多跨世代的優(yōu)勢(shì)，目前來(lái)看我們認(rèn)為其是替代傳統(tǒng)傳感器的唯一可能選擇，也可能是未來(lái)構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器最主要的選擇之一。
1)微型化：MEMS器件體積小，一般單個(gè)MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計(jì)量單位，重量輕、耗能低。同時(shí)微型化以后的機(jī)械部件具有慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。MEMS更高的表面體積比(表面積比體積)可以提高表面?zhèn)鞲衅鞯拿舾谐潭取?/p>
2)硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng)IC生產(chǎn)工藝：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，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。
3)批量生產(chǎn)：以單個(gè)5mm*5mm尺寸的MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片8英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約1000個(gè)MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè)MEMS的生產(chǎn)成本。
4)集成化：一般來(lái)說(shuō)，單顆MEMS往往在封裝機(jī)械傳感器的同時(shí)，還會(huì)集成ASIC芯片，控制MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。
同時(shí)不同的封裝工藝可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)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。隨著MEMS的工藝的發(fā)展，現(xiàn)在傾向于單個(gè)MEMS芯片中整合更多的功能，實(shí)現(xiàn)更高的集成度。
例如慣性傳感器IMU(Inertialmeasurementunit)中，從最早的分立慣性傳感器，到ADI推出的一個(gè)封裝內(nèi)中集成了三軸陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和一個(gè)壓力傳感器以及ADSP-BF512Blackfin處理器的10自由度高精度MEMS慣性測(cè)量單元。
5)多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)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。MEMS是構(gòu)筑物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)物理感知層傳感器的最主要選擇之一。
由于物聯(lián)網(wǎng)特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)器件的物理尺寸、功耗、成本等十分敏感，傳感器的微型化對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。MEMS微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)合兼容傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝，采用微米技術(shù)在芯片上制造微型機(jī)械，并將其與對(duì)應(yīng)電路集成為一個(gè)整體的技術(shù)，它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，批量化生產(chǎn)能滿足物聯(lián)網(wǎng)對(duì)傳感器的巨大需求量和低成本要求。
