盘点一些创新的MEMS产品和趋势

MEMS 是一个非常独特的形态，与电子和机械的差异性对于正确的使用 MEMS 很重要。与传统机械器件相比，MEMS具有较大的表面积体积比，静电荷和磁矩产生的力也更为重要。在 MEMS 尺度上，表面张力和粘度等流体动力学是许多系统的重要设计考虑因素。与分子电子学或纳米技术相比，MEMS 通常不需要考虑表面化学状态。MEMS 技术可用于从泵到电感器的一系列设备。开关技术是基本 MEMS 实现的一个很好的例子，可以使用电阻或电容设计。

电阻 MEMS 开关采用静电控制的悬臂梁，其寿命取决于悬臂的金属疲劳、接触磨损和悬臂变形的发生。电容式 MEMS 开关使用传感元件（例如移动板）来改变电容并激活开关。

MEMS 是一种成熟但仍在不断发展的商业技术。用于监测振动、温度、光以及线性和旋转运动和加速度的各种传感器是一些常见的 MEMS 应用。它们可以在军事设备、移动电话、车辆以及工业和通信系统中找到。在医疗领域，所谓的 bioMEMS 被用来感知生物功能，并提供药物和其他疗法。在工业和汽车环境中，它们用于监测振动并通过提供潜在故障和故障的早期警告来帮助防止故障。在电信领域，MEMS 用作开关，以及可调谐激光器、可调谐滤波器、光开关、动态增益均衡器、衰减器和其他应用（图 1）。

图 1：MEMS 器件用于可调谐激光器、可调谐滤波器、可变光衰减器 (VOA)、光开关和其他先进的通信设备。 （图片：Sercalo Microtechnology）

用于电源应用的 MEMS

用于可穿戴设备、植入式电子设备和物联网设备的电源转换器的小型化是 MEMS 电感器发展的驱动力之一。目标是使用封装电源 (PwrSiP) 和片上电源 (PwrSoC) 技术提高集成度，以设计提供高效率的微型电源，从而实现高功率密度。

MEMS 电感器可以按多种方式分类，例如工作频率、功率处理和几何形状。一种常见的分类是基于绕组相对于基板的位置及其形状，（图 2）： (i) 基板上的 2D 电感器，进一步细分为螺旋电感器 (a) 和跑道型电感器 (b)； (ii) 具有磁棒芯 (c) 的 3D 基板上螺线管电感器； (iii) 2D 基板内螺旋电感器 (d)，以及 (iv) 3D 基板内环形电感器 (e)。

图 2：MEMS 功率电感器可按电感器和基板的几何形状进行分类。黄色箭头描绘了电流的方向。 （图片：微系统和纳米工程）

MEMS电感器的制造仍然存在挑战。空芯 MEMS 电感器可用于 22 MHz（VHF 范围）以上的频率，但较低频率需要磁芯。不幸的是，虽然可以使用氮化镓 (GaN) 功率半导体器件来设计 VHF 功率电子器件，但磁性材料并没有跟上，而且它们的大磁芯损耗是 VHF 功率转换器开发的一个制约因素。

PwrSoC 集成工作正在转向 MEMS 封装技术，以实现微型电源转换器的制造。正在探索的方法包括使用引线键合或倒装芯片技术的 2D/2.5D 封装，以及使用 IC 垂直堆叠和基于硅通孔的硅中介层的 3D 封装。与磁性材料的情况一样，这些基于 MEMS 的封装技术还没有准备好进行商业开发。

MEMS 用于超越 5G 射频

射频 MEMS (RF-MEMS) 是无源元件，例如提供改进性能的衰减器，包括更好的隔离、更低的功耗、更小和更轻的重量，以及在多 GHz 应用中的成本更低。最近，RF-MEMS 已使用表面微加工工艺制造，该工艺使用由多晶硅和铝保护的两个导电薄膜层，在其上使用电镀金构建实际的 MEMS 悬浮静电驱动膜（图3）。此外，使用镀金薄膜可将金属与金属的接触电阻降至最低。

图 3：基于表面微加工工艺的 RF-MEMS 技术平台，用于制造用于多 GHz 应用的多态 RF 功率衰减器。 （图片：自然科学报告）

对更小、更高性能的数 GHz 器件的需求正在推动 RF-MEMS 技术的发展。正在开发 RF-MEMS 设备以帮助解决诸如极低端到端延迟（预计将从 5G 中的 5 毫秒降至 6G 中的 1 毫秒）等挑战，以及将大规模 MIMO (mMIMO) 技术缩减为大型智能表面天线（LISA）技术。 LISA 将在具有大量独立控制的反射表面/天线元件的二维人工结构中使用 RF-MEMS 技术，以使 mMIMO 能够适应在 30 至 300 GHz 范围内运行的小型系统，用于关键应用，例如工业 4.0 中的车对车通信、远程手术和大规模机器对机器通信。

pMUT 和元宇宙

触觉反馈使用力、电信号或声压来产生触觉。当前的设计中使用了空气耦合超声换能器，但它们体积太大而无法广泛采用。相反，正在开发MEMS超声换能器 (pMUT)。 pMUT 将具有与当今空气耦合超声换能器相同的 40 kHz 谐振频率，但体积更小，功耗更低。锆钛酸铅 (PZT) 用作压电层并使用射频溅射沉积。谐振腔是通过深度反应离子刻蚀释放圆形薄膜形成的。这些 pMUT 旨在用于大型阵列（图 4）。当以 70 V 峰间电压驱动时，单个 pMUT 可产生 0.227 Pa 的声压。

图 4：正在开发 pMUT 阵列，以为元宇宙提供实时触觉反馈。 （图片：MDPI）

触觉反馈并不是元宇宙中 pMUT 的唯一潜在应用。通过对设计进行适当修改，pMUT 有望用于悬浮、粒子操纵和光声成像。早期开发 pMUT 的努力使用聚偏二氟乙烯 (PVDF) 作为压电层。 PVDF 的压电系数太低，无法产生所需的声压来产生基于超声波的触觉效果。 PZT 具有所需的压电系数，可以制造成 pMUT，适用于使用现有生产设备集成到便携式设备中。

bioMEMS、μMS 和 CMUT

微流体和生物 MEMS 设备正被用于一系列医疗应用，包括样品制备、DNA 提取、扩增和鉴定，以及植入式和透皮生物 MEMS 设备，这些设备可以远程配置以使用微针、MEMS 容器自动控制药物输送、微型泵和执行器。

微磁刺激 (μMS) 使用植入的 MEMS 微线圈来产生用于局部经颅磁刺激 (TMS) 的磁场。 MEMS 线圈足够小，可以直接植入大脑。预计它们将促进大脑狭窄区域的受限激活，并为神经假肢提供微磁刺激感应器。

电容式微机械超声换能器 (CMUT) 已被开发用于增强和替代当今基于 PZT 的换能器。在 CMOS 晶圆上制造的 CMUT (CMUT-on-CMOS) 可实现更大的带宽，制造具有集成驱动器的大型阵列，并以更低的成本实现大批量超声换能器的生产（图 5）。 CMUT-on-CMOS 是一种高频（1 至 50 MHz）超声技术，可实现高分辨率 3D 医学成像和可安装在导管内的超小型成像器的开发。

图 5：CMUT-on-CMOS 能够以较低的成本大批量生产高度集成的超声换能器（图片：飞利浦工程解决方案）

总结

MEMS 是一项成熟的技术，与传统的机械装置和分子大小的器件相比，它使用完全不同的机制进行操作。 MEMS 器件已经广泛分布在通信、交通、军事、工业和消费应用中。该技术在电源转换、虚拟世界、6G 电话和高级医疗诊断和治疗等新兴应用中不断发展。