MEMS技术从边缘走向主流

20世纪80年代初，库尔特・彼得森（Kurt Petersen）提出了硅不仅是制造集成电路的绝佳材料，在微观尺度下，其机械性能同样出色，可以对此加以利用，但当时，这一想法被视为‘奇思妙想’，并被边缘化。

随后在1983年，罗杰・豪（Roger Howe）和穆勒（Muller）教授提出了表面微机械加工技术，为微机械结构的制造增添了新的工具。自此，MEMS领域的竞争拉开了序幕。

MEMS，全称为Micro-Electro-Mechanical System，中文名称为微机电系统，是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

40年后的今天，MEMS技术已成为主流，其产品每年的出货量高达数十亿，服务于汽车、商业、消费电子、通信、工业、生物医学、航天及机器人等所有可能的市场。

首个获认可的MEMS产品

值得一提的是，“MEMS”这一缩写由雅各布斯（Jacobs）和伍德（Wood）于1986年在向美国国防高级研究计划局（DARPA）申请拨款的提案中首次提出，用于描述由微机械装置和驱动电子设备组成的微机电系统。

由于该提案中描述的微机械装置采用表面微机械加工技术制造，因此在当时，“MEMS”一词常与表面微机械加工联系在一起。多年来，“MEMS技术”这一缩写的含义不断演变，已成为一个涵盖所有微机械加工装置相关领域的总称，包括体加工、晶圆键合、表面微机械加工等。

而首个为MEMS技术赢得认可的产品是为汽车行业开发的加速度计。20世纪80年代末至90年代初，摩托罗拉和ADI（亚德诺半导体）在用于安全气囊的加速度计研发领域齐头并进，展开了激烈竞争。

ADI采用了Howe和Lee发明的梳状结构方案，而摩托罗拉则另辟蹊径，开发出了一种三层多晶硅表面微机械加工技术，并以此为基础制造出了垂直堆叠的差分电容装置，这也成为其加速度计的核心技术。

最终，两家公司都成功向汽车客户批量供应了加速度计，证明了表面微机械加工技术可以呈现出多种形式和特点。因此，MEMS加速度计在MEMS技术的产业化进程中占据着举足轻重的地位。

需要指出的是，如果没有将传感元件与CMOS集成电路相结合，MEMS加速度计的成功是不可能实现的。这是MEMS与CMOS两种技术融合的绝佳范例。两者结合产生了全新的成果，而这一成果是其中任何一种技术单独都无法实现的。

自20世纪90年代以来，MEMS加速度计的应用范围大幅扩展。小型化、高良率制造和低成本生产等方面的进步，推动其在汽车市场持续增长，同时也促进其在消费电子、工业自动化、机器人、医疗设备、物联网（IoT）和国防等新市场的广泛应用。如今，MEMS加速度计在屏幕方向检测、运动监测、计步、手势识别、结构健康监测以及机械振动监测等众多应用中发挥着关键作用。

目前，加速度计产品领域的领先企业包括博世（Bosch）、TDK-InvenSense、恩智浦（NXP）、意法半导体（STM）、ADI（亚德诺半导体），以及村田（Murata）等。

压力传感器在MEMS技术中的地位

压力传感器堪称硅基传感器和转换器的“鼻祖”。它们通常利用的是20世纪50年代中期在硅和锗中发现的压阻效应。又过了十多年，到60年代末，首批商用压力传感器才开始出现。

这类传感器通过体微机械加工技术制作出薄硅膜片，并在膜片内扩散形成电阻。Kulite是首家利用硅的压阻效应研发相关产品的公司，随后许多企业纷纷跟进。

如果没有压力传感器的发展，MEMS技术不会有如今的地位。压力传感器是如今所熟知的广义MEMS技术领域的先驱，它们为MEMS技术奠定了基础，助力其逐步发展成如今的主流技术。

值得一提的是，在现有的众多压力传感器产品中，有两类产品因其自问世以来产生的深远影响而占据特殊地位，即进气压力（MAP）传感器和轮胎压力监测系统（TPMS）。MAP传感器对维持发动机高效燃油喷射至关重要，而TPMS则用于实时监测轮胎压力。

摩托罗拉/飞思卡尔（如今隶属于恩智浦）作为汽车行业半导体产品的领先供应商，为这两类产品赢得声誉做出了重大贡献。这两类产品对提升车辆的整体效率和安全管理水平都至关重要，正因如此，它们各自都占据着独特的重要地位。

目前，压力传感器产品领域的领先企业包括博世、意法半导体、恩智浦、霍尼韦尔（Honeywell）、英飞凌（Infineon）等。

其它重要的MEMS技术

随着加速度计的成功面世，其他产品的研发进展也相对加快。先是MEMS陀螺仪问世，随后又出现了将MEMS加速度计与陀螺仪集成在单芯片上的产品，之后还有更多相关产品涌现。

如今，MEMS产品种类繁多，不胜枚举，但不得不提那些每年产量高达数十亿的“精英产品俱乐部”成员：除了压力传感器、加速度计和陀螺仪之外，还包括麦克风、扬声器和定时器件。

麦克风从MEMS技术的持续进步中受益匪浅，实现了显著的小型化。由于体积小巧且功耗低，MEMS麦克风非常适合用于紧凑型电池供电设备，如智能手机、平板电脑、智能手表、耳机、助听器、笔记本电脑、智能音箱等。

目前，麦克风产品领域的领先企业包括楼氏电子（Knowles）、歌尔股份（Goertek）、博世、Cirrus Logic、英飞凌等。

MEMS扬声器是较新的一批基于MEMS技术的产品系列，商用产品在近十年才出现。与MEMS麦克风相比，其研发通常面临更大的挑战。这主要是因为MEMS扬声器需要振膜有较大的位移量：一方面，需要足够的功率来产生足够的力使振膜移动；另一方面，尽管要求振膜有较大位移，还必须保证振膜的结构完整性。

与传统非MEMS技术扬声器（如电动式扬声器和平衡电枢扬声器）相比，MEMS扬声器的优势在于体积小、功耗低且易于与电子设备集成。这些优势使其在消费电子以及其他对尺寸和功耗有严格限制的应用中极具吸引力。

目前，MEMS扬声器产品领域的领先企业包 xMEMS、Usound、博世、Sonitron、SonicEdge等。

MEMS定时器件则为现代电子产品提供所需的时钟功能。从功能上看，它们可分为三类：谐振器、振荡器和时钟，而且这些都可以制成硅基MEMS器件。它们是传统石英晶体定时器件的优良替代品，在汽车、航空航天与国防、电信、信息技术、消费电子和医疗等众多市场领域逐渐获得认可。它们具有性能可靠、功耗低、稳定性高、体积小以及成本低等优点。

当前，MEMS定时器件领域的领先企业包括SiTime、微芯科技（Microchip）、京瓷（Kyocera）、Abracon、Rakon等。

对于所有MEMS产品而言，它们之所以能赢得声誉，是因为其性能可靠，且兼具低功耗、小体积和低成本的特点，这是一个成功的组合。

MEMS技术最新进展

MEMS技术领域最新研发的一类产品是硅基MEMS反射镜，这类器件对光电子领域的诸多应用而言至关重要。

MEMS反射镜是基于硅材料的小型器件，能够沿单轴（一维反射镜）或双轴（二维反射镜）倾斜。根据设计的不同，它们还能沿第三轴移动，实现活塞式运动。其独特之处在于直径通常在0.5毫米到10毫米之间，厚度仅约40微米，比人类头发丝的平均厚度还要细。在过去二十年里，MEMS反射镜的制造技术已大幅成熟，这类产品即将在未来十年迎来爆发式增长。

MEMS反射镜的主要功能是将聚焦的光束偏转到不同方向。光束可沿单轴（一维反射镜）或双轴（二维反射镜）进行控制。这种接收并重新定向聚焦光束的能力，是扫描技术的核心基础。

MEMS反射镜的扫描能力被巧妙地用于实现激光操控的两项基本功能：定向光投射和定向光采集（成像）。几乎在所有MEMS反射镜的应用中，这两项基本功能都会被用到，其余则是针对特定应用的定制化附加功能。

根据客户反馈显示，其应用场景极为广泛，涵盖汽车与交通、增强现实/虚拟现实（AR/VR）、消费与商业、工业、生物医学、自由空间光通信、机器人以及智慧城市等领域。MEMS反射镜或许将成为未来十年MEMS技术领域的下一个大浪潮，有望实现每年数十亿的产量。

目前，MEMS反射镜产品领域的领先企业包括Mirrorcle、滨松（Hamamatsu）、博世、Sercalo、Ultimems等。