MEMS 是一個非常獨特的形态，與電子和機械的差異性對于正确的使用 MEMS 很重要。與傳統機械器件相比，MEMS具有較大的表面積體積比，靜電荷和磁矩産生的力也更為重要。在 MEMS 尺度上，表面張力和粘度等流體動力學是許多系統的重要設計考慮因素。與分子電子學或納米技術相比，MEMS 通常不需要考慮表面化學狀态。MEMS 技術可用于從泵到電感器的一系列設備。開關技術是基本 MEMS 實現的一個很好的例子，可以使用電阻或電容設計。

電阻 MEMS 開關采用靜電控制的懸臂梁，其壽命取決于懸臂的金屬疲勞、接觸磨損和懸臂變形的發生。電容式 MEMS 開關使用傳感元件（例如移動闆）來改變電容并激活開關。

MEMS 是一種成熟但仍在不斷發展的商業技術。用于監測振動、溫度、光以及線性和旋轉運動和加速度的各種傳感器是一些常見的 MEMS 應用。它們可以在軍事設備、移動電話、車輛以及工業和通信系統中找到。在醫療領域，所謂的 bioMEMS 被用來感知生物功能，并提供藥物和其他療法。在工業和汽車環境中，它們用于監測振動并通過提供潛在故障和故障的早期警告來幫助防止故障。在電信領域，MEMS 用作開關，以及可調諧激光器、可調諧濾波器、光開關、動态增益均衡器、衰減器和其他應用（圖 1）。

圖 1：MEMS 器件用于可調諧激光器、可調諧濾波器、可變光衰減器 (VOA)、光開關和其他先進的通信設備。 （圖片：Sercalo Microtechnology）

用于電源應用的 MEMS

用于可穿戴設備、植入式電子設備和物聯網設備的電源轉換器的小型化是 MEMS 電感器發展的驅動力之一。目标是使用封裝電源 (PwrSiP) 和片上電源 (PwrSoC) 技術提高集成度，以設計提供高效率的微型電源，從而實現高功率密度。

MEMS 電感器可以按多種方式分類，例如工作頻率、功率處理和幾何形狀。一種常見的分類是基于繞組相對于基闆的位置及其形狀，（圖 2）： (i) 基闆上的 2D 電感器，進一步細分為螺旋電感器 (a) 和跑道型電感器 (b)； (ii) 具有磁棒芯 (c) 的 3D 基闆上螺線管電感器； (iii) 2D 基闆内螺旋電感器 (d)，以及 (iv) 3D 基闆内環形電感器 (e)。

圖 2：MEMS 功率電感器可按電感器和基闆的幾何形狀進行分類。黃色箭頭描繪了電流的方向。 （圖片：微系統和納米工程）

MEMS電感器的制造仍然存在挑戰。空芯 MEMS 電感器可用于 22 MHz（VHF 範圍）以上的頻率，但較低頻率需要磁芯。不幸的是，雖然可以使用氮化镓 (GaN) 功率半導體器件來設計 VHF 功率電子器件，但磁性材料并沒有跟上，而且它們的大磁芯損耗是 VHF 功率轉換器開發的一個制約因素。

PwrSoC 集成工作正在轉向 MEMS 封裝技術，以實現微型電源轉換器的制造。正在探索的方法包括使用引線鍵合或倒裝芯片技術的 2D/2.5D 封裝，以及使用 IC 垂直堆疊和基于矽通孔的矽中介層的 3D 封裝。與磁性材料的情況一樣，這些基于 MEMS 的封裝技術還沒有準備好進行商業開發。

MEMS 用于超越 5G 射頻

射頻 MEMS (RF-MEMS) 是無源元件，例如提供改進性能的衰減器，包括更好的隔離、更低的功耗、更小和更輕的重量，以及在多 GHz 應用中的成本更低。最近，RF-MEMS 已使用表面微加工工藝制造，該工藝使用由多晶矽和鋁保護的兩個導電薄膜層，在其上使用電鍍金構建實際的 MEMS 懸浮靜電驅動膜（圖3）。此外，使用鍍金薄膜可将金屬與金屬的接觸電阻降至最低。

圖 3：基于表面微加工工藝的 RF-MEMS 技術平台，用于制造用于多 GHz 應用的多态 RF 功率衰減器。 （圖片：自然科學報告）

對更小、更高性能的數 GHz 器件的需求正在推動 RF-MEMS 技術的發展。正在開發 RF-MEMS 設備以幫助解決諸如極低端到端延遲（預計将從 5G 中的 5 毫秒降至 6G 中的 1 毫秒）等挑戰，以及将大規模 MIMO (mMIMO) 技術縮減為大型智能表面天線（LISA）技術。 LISA 将在具有大量獨立控制的反射表面/天線元件的二維人工結構中使用 RF-MEMS 技術，以使 mMIMO 能夠适應在 30 至 300 GHz 範圍内運行的小型系統，用于關鍵應用，例如工業 4.0 中的車對車通信、遠程手術和大規模機器對機器通信。

pMUT 和元宇宙

觸覺反饋使用力、電信号或聲壓來産生觸覺。當前的設計中使用了空氣耦合超聲換能器，但它們體積太大而無法廣泛采用。相反，正在開發MEMS超聲換能器 (pMUT)。 pMUT 将具有與當今空氣耦合超聲換能器相同的 40 kHz 諧振頻率，但體積更小，功耗更低。锆钛酸鉛 (PZT) 用作壓電層并使用射頻濺射沉積。諧振腔是通過深度反應離子刻蝕釋放圓形薄膜形成的。這些 pMUT 旨在用于大型陣列（圖 4）。當以 70 V 峰間電壓驅動時，單個 pMUT 可産生 0.227 Pa 的聲壓。

圖 4：正在開發 pMUT 陣列，以為元宇宙提供實時觸覺反饋。 （圖片：MDPI）

觸覺反饋并不是元宇宙中 pMUT 的唯一潛在應用。通過對設計進行适當修改，pMUT 有望用于懸浮、粒子操縱和光聲成像。早期開發 pMUT 的努力使用聚偏二氟乙烯 (PVDF) 作為壓電層。 PVDF 的壓電系數太低，無法産生所需的聲壓來産生基于超聲波的觸覺效果。 PZT 具有所需的壓電系數，可以制造成 pMUT，适用于使用現有生産設備集成到便攜式設備中。

bioMEMS、μMS 和 CMUT

微流體和生物 MEMS 設備正被用于一系列醫療應用，包括樣品制備、DNA 提取、擴增和鑒定，以及植入式和透皮生物 MEMS 設備，這些設備可以遠程配置以使用微針、MEMS 容器自動控制藥物輸送、微型泵和執行器。

微磁刺激 (μMS) 使用植入的 MEMS 微線圈來産生用于局部經顱磁刺激 (TMS) 的磁場。 MEMS 線圈足夠小，可以直接植入大腦。預計它們将促進大腦狹窄區域的受限激活，并為神經假肢提供微磁刺激感應器。

電容式微機械超聲換能器 (CMUT) 已被開發用于增強和替代當今基于 PZT 的換能器。在 CMOS 晶圓上制造的 CMUT (CMUT-on-CMOS) 可實現更大的帶寬，制造具有集成驅動器的大型陣列，并以更低的成本實現大批量超聲換能器的生産（圖 5）。 CMUT-on-CMOS 是一種高頻（1 至 50 MHz）超聲技術，可實現高分辨率 3D 醫學成像和可安裝在導管内的超小型成像器的開發。

圖 5：CMUT-on-CMOS 能夠以較低的成本大批量生産高度集成的超聲換能器（圖片：飛利浦工程解決方案）

總結

MEMS 是一項成熟的技術，與傳統的機械裝置和分子大小的器件相比，它使用完全不同的機制進行操作。 MEMS 器件已經廣泛分布在通信、交通、軍事、工業和消費應用中。該技術在電源轉換、虛拟世界、6G 電話和高級醫療診斷和治療等新興應用中不斷發展。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!