微纳加工MEMS元器件全解析：从基础器件到前沿应用

微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems）是一种将机械结构、电子电路和传感器/执行器集成在微米至纳米尺度的技术。其核心是通过微纳加工工艺（如光刻、蚀刻、薄膜沉积等）制造微型化、高精度的功能器件。以下是MEMS元器件的分类及典型应用：

一、传感器类MEMS

通过物理、化学或生物信号转换为电信号，实现环境感知与测量。

惯性传感器

加速度计：检测三维加速度（如手机屏幕旋转、汽车安全气囊触发）。

制造工艺：硅悬臂梁结构+压阻/电容检测（代表厂商：Bosch、STMicroelectronics）。

陀螺仪：测量角速度（无人机姿态控制、VR设备）。

原理：科里奥利力驱动的振动结构（代表厂商：InvenSense）。

压力传感器

检测气体或液体压力（汽车胎压监测、医疗导管压力传感）。

结构：硅薄膜+压阻/电容式检测（如Honeywell的医疗级传感器）。

环境传感器

湿度传感器：多孔介质薄膜电容变化（农业温室监测）。

气体传感器：金属氧化物或聚合物敏感材料（工业VOC检测）。

麦克风：声波引起振膜位移（智能手机语音输入，如Knowles MEMS麦克风）。

生物/化学传感器

葡萄糖传感器：酶电极检测血糖（可穿戴医疗设备）。

DNA传感器：表面修饰探针结合荧光/电化学信号（即时诊断设备）。

二、执行器类MEMS

将电信号转化为机械运动或能量输出。

微镜阵列

数字微镜器件（DMD）：数万片微镜控制光路（投影仪DLP技术，如TI的DMD芯片）。

工艺：铝反射镜面+扭臂铰链结构。

微泵与微阀

压电/热驱动薄膜控制流体（微流控芯片液体驱动，如Elveflow的集成微泵）。

RF MEMS开关

静电力驱动悬臂开关（5G通信高频信号切换，低损耗、高隔离度）。

微马达与谐振器

静电梳齿驱动转子（微型机器人、频率源）。

三、能量类MEMS

实现能量转换与收集。

能量收集器

压电式：机械振动→电能（物联网设备自供电）。

热电式：温差→电能（工业废热回收）。

微型燃料电池

微通道催化反应发电（便携设备电源）。

四、光学MEMS

操控光信号，应用于通信与成像。

光开关与衰减器：微镜阵列调节光路（光纤通信网络）。

微透镜与光栅：可调焦液体透镜（手机摄像头，如Optotune产品）。

激光雷达（LiDAR）核心部件：MEMS振镜实现光束扫描（自动驾驶环境感知）。

五、射频（RF）MEMS

提升无线通信性能。

可变电容器与电感器：静电力调节电容值（手机天线调谐）。

滤波器与谐振器：高频声表面波（SAW）/体声波（BAW）器件（5G基站，如Qorvo的BAW滤波器）。

六、微流控与生物MEMS

集成流体操控与生物检测。

微流控芯片：微通道+阀门/泵（基因测序、器官芯片）。

微针阵列：穿透角质层的无痛给药（透皮药物递送）。

细胞操作器件：介电力/声波操控单细胞（精准医疗）。

七、特殊功能MEMS

喷墨打印头：热泡/压电驱动微腔喷射墨滴（惠普/爱普生打印机）。

微型加热器：薄膜电阻加热（气体传感器温控、PCR扩增）。

原子力显微镜（AFM）探针：硅悬臂梁+纳米针尖（材料表面形貌分析）。

八、MEMS制造工艺与材料

核心工艺：

体硅加工（湿法/干法蚀刻深硅结构）。

表面微加工（多晶硅/金属薄膜沉积与释放）。

LIGA技术（X光光刻制造高深宽比金属结构）。

常用材料：单晶硅、氮化硅、SU-8光刻胶、PZT压电陶瓷、PDMS等。

九、MEMS应用场景全景图

十、如何选择MEMS器件？

明确需求：精度（如加速度计的量程范围）、功耗（物联网设备需低功耗）、环境适应性（耐高温/腐蚀）。

工艺匹配：硅基器件适合大批量，聚合物/柔性MEMS适用于可穿戴设备。

供应链：优先选择标准化产品，定制化需评估代工厂能力。

MEMS技术正从“感知万物”走向“驱动万物”，成为智能化时代的底层硬件基石。无论是消费电子还是尖端医疗，其微型化、集成化、低功耗的优势将持续推动创新边界。