微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System），也叫做微電子機械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機械等，指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置。主要由傳感器、作動器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。微機電系統(tǒng)涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫(yī)學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術(shù)，為智能系統(tǒng)、消費電子、可穿戴設(shè)備、智能家居、系統(tǒng)生物技術(shù)的合成生物學與微流控技術(shù)等領(lǐng)域開拓了廣闊的用途。
MEMS側(cè)重于超精密機械加工，涉及微電子、材料、力學、化學、機械學諸多學科領(lǐng)域。它的學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。 MEMS是一個獨立的智能系統(tǒng)，可大批量生產(chǎn)，其系統(tǒng)尺寸在幾毫米乃至更小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。
特點
1、和半導體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、調(diào)整；
2、進一步可以將機械可動部、電子線路、傳感器等集成到一片硅板上；
3、它很少占用地方，可以在一般的機器人到不了的狹窄場所或條件惡劣的地方使用；
4、由于工作部件的質(zhì)量小，高速動作可能；
5、由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響?。?/p>
6、它產(chǎn)生的力和積蓄的能量很小，本質(zhì)上比較安全。
優(yōu)勢
經(jīng)濟利益：
1、大批量的并行制造過程；
2、系統(tǒng)級集成；
3、封裝集成；
4、與IC工藝兼容。
技術(shù)利益：
1、高精度；
2、重量輕，尺寸??；
3、高效能。
概括起來，MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度和適于大批量生產(chǎn)。MEMS技術(shù)的目標是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等。其研究內(nèi)容一般可以歸納為以下三個基本方面：
1．理論基礎(chǔ)：在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（Scaling Effects），許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此許多原來的理論基礎(chǔ)都會發(fā)生變化，如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結(jié)構(gòu)學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎(chǔ)研究。
2. 技術(shù)基礎(chǔ)研究：主要包括微機械設(shè)計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術(shù)、微測量等技術(shù)基礎(chǔ)研究。
3. 微機械在各學科領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
美國已研制成功用于汽車防撞和節(jié)油的微機電系統(tǒng)加速度表和傳感器，可提高汽車的安全性，節(jié)油10%。僅此一項美國國防部系統(tǒng)每年就可節(jié)約幾十億美元的汽油費。微機電系統(tǒng)在航空航天系統(tǒng)的應(yīng)用可大大節(jié)省費用，提高系統(tǒng)的靈活性，并將導致航空航天系統(tǒng)的變革。在軍事應(yīng)用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統(tǒng)應(yīng)用于個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數(shù)據(jù)存儲器件、小型分析儀器、醫(yī)用傳感器、光纖網(wǎng)絡(luò)開關(guān)、環(huán)境與安全監(jiān)測用的分布式無人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統(tǒng)為基礎(chǔ)制造的加速度表，它能承受火炮發(fā)射時產(chǎn)生的近10.5個重力加速度的沖擊力，可以為非制導彈藥提供一種經(jīng)濟的制導系統(tǒng)。設(shè)想中的微機電系統(tǒng)的軍事應(yīng)用還有：化學戰(zhàn)劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分布式戰(zhàn)場傳感器網(wǎng)絡(luò)等。
MEMS技術(shù)的主要分類
1、傳感
傳感MEMS技術(shù)是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉(zhuǎn)換電信號的器件和系統(tǒng)。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。
傳感器的發(fā)展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經(jīng)元，且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，未來將備受世界各國的重視。
2、生物
生物MEMS技術(shù)是用MEMS技術(shù)制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅(qū)動泵、微控制閥、通道網(wǎng)絡(luò)、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應(yīng)器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片?？梢詫崿F(xiàn)樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應(yīng)、分離、檢測和后處理等分析全過程。
它把傳統(tǒng)的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統(tǒng)具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統(tǒng)與外部連接少、實時通信、連續(xù)檢測的特點。
國際上生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統(tǒng)帶來一場重大的革新。
3、光學
隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，MEMS發(fā)展的又一領(lǐng)域是與光學相結(jié)合，即綜合微電子、微機械、光電子技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)新型光器件，稱為微光機電系統(tǒng)(MOEMS)。
微光機電系統(tǒng)(MOEMS)能把各種MEMS結(jié)構(gòu)件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統(tǒng)。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產(chǎn)、可精確驅(qū)動和控制等特點。
較成功的應(yīng)用科學研究主要集中在兩個方面:
一是基于MOEMS的新型顯示、投影設(shè)備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調(diào)制，典型代表為數(shù)字微鏡陣列芯片和光柵光閥。
二是通信系統(tǒng)，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發(fā)生預期的改變，較成功的有光開關(guān)調(diào)制器、光濾波器及復用器等光通信器件。
MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術(shù)，開展這個領(lǐng)域的科學技術(shù)研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發(fā)。
4、射頻
射頻MEMS技術(shù)傳統(tǒng)上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動的MEMS器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容。
按技術(shù)層面又分為由微機械開關(guān)、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應(yīng)用系統(tǒng)層面。
MEMS傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域
1、醫(yī)療
MEMS傳感器應(yīng)用于無創(chuàng)胎心檢測，檢測胎兒心率是一項技術(shù)性很強的工作，由于胎兒心率很快，在每分鐘l20～160次之間，用傳統(tǒng)的聽診器甚至只有放大作用的超聲多普勒儀，用人工計數(shù)很難測量準確。
具有數(shù)字顯示功能的超聲多普勒胎心監(jiān)護儀，價格昂貴，僅為少數(shù)大醫(yī)院使用，在中、小型醫(yī)院及廣大的農(nóng)村地區(qū)無法普及。此外，超聲振動波作用于胎兒，會對胎兒產(chǎn)生很大的不利作用。盡管檢測劑量很低，也屬于有損探測范疇，不適于經(jīng)常性、重復性的檢查及家庭使用。
基于VTI公司的MEMS加速度傳感器，提出一種無創(chuàng)胎心檢測方法，研制出一種簡單易學、直觀準確的介于胎心聽診器和多普勒胎兒監(jiān)護儀之間的臨床診斷和孕婦自檢的醫(yī)療輔助儀器。
通過加速度傳感器將胎兒心率轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，經(jīng)前置放大用的儀器放大器實現(xiàn)差值放大。然后進行濾波等一系列中間信號處理，用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過光隔離器件輸入到單片機進行分析處理，最后輸出處理結(jié)果。
基于MEMS加速度傳感器設(shè)計的胎兒心率檢測儀在適當改進后能夠以此為終端，做一個遠程胎心監(jiān)護系統(tǒng)。醫(yī)院端的中央信號采集分析監(jiān)護主機給出自動分析結(jié)果，醫(yī)生對該結(jié)果進行診斷，如果有問題及時通知孕婦到醫(yī)院來。該技術(shù)有利于孕婦隨時檢查胎兒的狀況，有利于胎兒和孕婦的健康。
2、汽車
MEMS壓力傳感器主要應(yīng)用在測量氣囊壓力、燃油壓力、發(fā)動機機油壓力、進氣管道壓力及輪胎壓力。
這種傳感器用單晶硅作材料，以采用MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴散雜質(zhì)形成四只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。
車用MEMS壓力傳感器有電容式、壓阻式、差動變壓器式、聲表面波式等幾種常見的形式。
而MEMS加速度計的原理是基于牛頓的經(jīng)典力學定律，通常由懸掛系統(tǒng)和檢測質(zhì)量組成，通過微硅質(zhì)量塊的偏移實現(xiàn)對加速度的檢測，主要用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、汽車導航系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)等，除了有電容式、壓阻式以外，MEMS加速度計還有壓電式、隧道電流型、諧振式和熱電偶式等形式。
其中，電容式MEMS加速度計具有靈敏度高、受溫度影響極小等特點，是MEMS微加速度計中的主流產(chǎn)品。
微陀螺儀是一種角速率傳感器，主要用于汽車導航的GPS信號補償和汽車底盤控制系統(tǒng)，主要有振動式、轉(zhuǎn)子式等幾種。
應(yīng)用最多的屬于振動陀螺儀，它利用單晶硅或多晶硅的振動質(zhì)量塊在被基座帶動旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的哥氏效應(yīng)來感測角速度。
例如汽車在轉(zhuǎn)彎時，系統(tǒng)通過陀螺儀測量角速度來指示方向盤的轉(zhuǎn)動是否到位，主動在內(nèi)側(cè)或者外側(cè)車輪上加上適當?shù)闹苿右苑乐蛊嚸撾x車道，通常，它與低加速度計一起構(gòu)成主動控制系統(tǒng)。
3、運動追蹤
在運動員的日常訓練中，MEMS傳感器可以用來進行3D人體運動測量，對每一個動作進行記錄，教練們對結(jié)果分析，反復比較，以便提高運動員的成績。
隨著MEMS技術(shù)的進一步發(fā)展，MEMS傳感器的價格也會隨著降低，這在大眾健身房中也可以廣泛應(yīng)用。
在滑雪方面，3D運動追蹤中的壓力傳感器、加速度傳感器、陀螺儀以及GPS可以讓使用者獲得極精確的觀察能力，除了可提供滑雪板的移動數(shù)據(jù)外，還可以記錄使用者的位置和距離。在沖浪方面也是如此，安裝在沖浪板上的3D運動追蹤，可以記錄海浪高度、速度、沖浪時間、漿板距離、水溫以及消耗的熱量等信息。
4、消費電子產(chǎn)品
在MEMS Drive出現(xiàn)之前，手機攝像頭主要由音圈馬達移動鏡頭組的方式實現(xiàn)防抖(簡稱鏡頭防抖技術(shù))，受到很大的局限。而另一個在市場上較高端的防抖技術(shù)：多軸防抖，則是利用移動圖像傳感器(Image Sensor)補償抖動，但由于這個技術(shù)體積龐大、耗電量超出手機載荷，一直無法在手機上應(yīng)用。
憑著微機電在體積和功耗上的突破，最新技術(shù)MEMS Drive類似一張貼在圖像傳感器背面的平面馬達，帶動圖像傳感器在三個旋轉(zhuǎn)軸移動。
MEMS Drive 的防抖技術(shù)是透過陀螺儀感知拍照過程中的瞬間抖動，依靠精密算法，計算出馬達應(yīng)做的移動幅度并做出快速補償。這一系列動作都要在百分之一秒內(nèi)做完，你得到的圖像才不會因為抖動模糊掉。
MEMS加工
MEMS加工技術(shù)工藝是根據(jù)產(chǎn)品需要，在各類襯底（硅襯底，玻璃襯底，石英襯底，藍寶石襯底等等）制作微米級微型結(jié)構(gòu)的加工工藝。而IC工藝則側(cè)重于半導體器件的制作，其襯底基本以硅襯底為主，少數(shù)特殊器件會使用GaAs/GaN等材料，其工藝核心是為了制作高集成度的各類器件，目前已經(jīng)做到納米級，特征尺寸更加精細。
MEMS加工技術(shù)工藝制作的微型結(jié)構(gòu)主要是作為各類傳感器和執(zhí)行器等，其中更加器件原理需要而制作的可動結(jié)構(gòu)（齒輪，懸臂梁，空腔，橋結(jié)構(gòu)等等）以及各種功能材料，本質(zhì)上是將環(huán)境中的各種特征參數(shù)（溫度，壓力，氣體，流量等等）變化通過微型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為各種電信號（電壓，電阻，電流等等）的差異，以實現(xiàn)小型化高靈敏的傳感器和執(zhí)行器。
IC工藝則側(cè)重各類半導體電學器件的加工，其工作都是圍繞各類電學性能展開，不涉及外界環(huán)境物理參數(shù)，其要求重點是各類器件的高集成和高精度，加工尺寸根據(jù)摩爾定律有最初的微米級提升至目前的納米級。其涉及的各類材料更多的考量電學性能優(yōu)化，不關(guān)注環(huán)境參數(shù)。
目前工業(yè)中應(yīng)用的MEMS微機械加工技術(shù)包括：體硅微加工（Bulk Micromachining)、表面微加工(Surface Micromachining)、LIGA工藝（光刻、電鑄和模造），三種工藝方法各有其優(yōu)勢和局限性。
1、體硅微加工
體硅微加工是一種通過各向異性或各向同性刻蝕襯底的方法在硅襯底上制造各種機械結(jié)構(gòu)器件的技術(shù)。其特點是設(shè)備簡單、投資少，但只能做形狀簡單的器件，深寬比小的器件。是通過對硅材料的腐蝕得到的，消耗硅材料較多(有時稱作減法工藝），而且只能以硅材料為加工對象。
2、表面微加工技術(shù)
表面微加工主要是靠在基底上逐層添加材料，通過用表面生長方法及光刻法在表面制造各種微型機械結(jié)構(gòu)器件。在襯底頂面沉積和刻蝕如金屬、多晶硅、氮化物、氧化物、有機材料等。通常使用的沉積技術(shù)是蒸鍍、濺射、絲印、CVD（化學氣相沉積）、電鍍，等等，也使用干刻蝕和濕刻蝕技術(shù)。其特點是通過在硅材料上添加各種材料形成所希望的結(jié)構(gòu)，可制作比較復雜的零件，但技術(shù)比較復雜，設(shè)備也比較昂貴。
3、LIGA微細加工技術(shù)
LIGA加工是德語光刻(Lithographie)、電鍍（也稱電鑄）(Galvanoformung)和壓模(Abformung)的簡稱。LIGA技術(shù)可加工金屬、塑料等非硅材料，同時可加工深寬比大的零件，這是體微加工和表面微加工難以做到的。但該工藝要通過同步加速器輻射裝置產(chǎn)生的高能射線作為主要的加工方法，設(shè)備昂貴，投資大。
LIGA四個工藝組成部分：LIGA掩模板制造工藝； X光深層光刻工藝；微電鑄工藝；微復制工藝。
因為mems生產(chǎn)也是同半導體電學器件的加工一致，所以熱處理擴散工藝也是必須的。其中一個很重要的過程就是快速退火RTP，需要的設(shè)備就是快速退火爐。RTP主要是利用熱能，將物體內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及離子注入后的晶格缺陷消除，RTP的升溫速度快速且均勻，RTP反應(yīng)室的周圍均為加熱器所包圍，然后借著加熱器所釋放的輻射，來進行RTP反應(yīng)室的加熱，當熱處理時，這些加熱燈管能以每秒150°C以上的升溫速度，在數(shù)秒內(nèi)，將RTP反應(yīng)室內(nèi)的晶片加熱到工藝所需的溫度，待熱處理階段完畢（數(shù)十秒至幾分鐘），RTP反應(yīng)室再從高溫降為原來的溫度。
此方法能大量節(jié)省熱處理時間和降低生產(chǎn)成本，是熱處理上的一次革新。
國內(nèi)做半導體產(chǎn)線快速退火爐設(shè)備廠家，屈指可數(shù)，但是目前只有量伙半導體一家，是專門研發(fā)中高端設(shè)備的，4，6，8，12寸全面覆蓋，小到實驗室平臺，大到Fab產(chǎn)線，工藝從幾百微米到幾十納米，長期的產(chǎn)線實踐驗證了設(shè)備的可靠性和先進性。
量伙的4-12英寸的快速退火爐設(shè)備
MEMS趨勢及產(chǎn)品
全球MEMS器件市場規(guī)模將從2020年的121億美元增長至2026年的約182億美元，復合增長率為7.2%。預計到2026年，10億美元以上的MEMS細分領(lǐng)域包括射頻類MEMS器件、MEMS慣性器件、MEMS壓力傳感器、MEMS聲學傳感器等。眼下，MEMS產(chǎn)品主要分為傳感器和執(zhí)行器兩大類，其中傳感器是用于探測和檢測物理、化學、生物等現(xiàn)象和信號的器件，執(zhí)行器則是用于實現(xiàn)機械運動、力和扭矩等行為的器件。從MEMS器件的市場規(guī)模來看，MEMS產(chǎn)品主要以MEMS傳感器為主。
MEMS產(chǎn)品分類
(1)汽車領(lǐng)域：燃油壓力、輪胎壓力、氣囊壓力以及進氣管道等壓力測量
(2)醫(yī)療領(lǐng)域：血壓、顱內(nèi)壓、眼內(nèi)壓等檢測，以及如持續(xù)氣道正壓通氣系統(tǒng)等高端醫(yī)療設(shè)備的壓力測量
(3)航空航天領(lǐng)域：火箭、衛(wèi)星、飛機引擎等耐熱腔體的壓力測量
(4)工業(yè)領(lǐng)域：廣泛應(yīng)用于流程工業(yè)的壓力測量
(5)消費電子領(lǐng)域：運動及高度、氣壓、導航數(shù)據(jù)補償?shù)认嚓P(guān)壓力參數(shù)測量
MEMS 市場前列廠商分別為博世(Bosch)、 博通(Broadcom)、Qorvo、意法半導體(ST)、德州儀器(TI)、歌爾(Goertek)、惠普(HP)、樓氏(Knowles)、TDK 和英飛凌(Infineon)。
