[转]“微机电系统”商机全面发进！

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雷宇宏


何谓微机电系统（MEMS）？是一项新技术？答案为否，MEMS早在1959年就由传奇的物理学家理查德．费曼（Richard Feynman）提出其概念，然此后数十年间的发展并未受到过多关注，直到近年来才逐渐兴起，而兴起的主因在于技术逐渐成熟，随着半导体精密制造工艺的不断进步，以及全球各先进国家争相投入纳米（Nanometer）技术，加上MEMS的应用日益广遍，且未来随技术的提升也将能衍生出更多的新兴应用，如此使MEMS一门获 得关注与展露。

MEMS应用早已遍布各处
如刚所述，MEMS的应用正逐渐广遍，但若没有仔细点出，一般人并不清楚MEMS已应用于何处何层面，笔者以下列举数个较具代表性的MEMS应用：

家庭
◆DLP投影机内的“数字微镜装置，DMD”
◆喷墨打印机、相片打印机内的“微型喷嘴，Micro nozzle”、“压电组件，Piezoelectric element”、“微流体装置，Micro fluidic”
◆Wii电视游乐器的遥控器内的“加速度传感器，Accelerometer”

汽车
◆安全气囊的“加速度传感器”
◆方位导航的“陀螺仪，Gyro”
◆轮胎内胎压监视系统的“压力传感器，Pressure sensor”

通讯
◆光通讯设备的“光开关，Optical switch”、“交叉连接器，Cross-connect”、“可变光衰减器，Variable optical attenuator”、“可调激光器，Tunable lasser”、“可调滤波器，Tunable filter”

硬盘
◆读写臂上的“读取头，Head”
◆晃振感应与防护之用的“加速度传感器”

除上述外，也还有许多相关应用，如手机内的无线射频（RF）组件，消费性电子（CE）所用的微型麦克风（MIC）、微型喇叭（SPK，也称：扬声器）等，统统是运用MEMS技术所实现。

附注：与光学操作有关的MEMS，有时也称为“微光机电，Micro Optical Electro-Mechanical；MOEMS”，或称“Optical MEMS，光学微机电”。

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MEMS的技术本质
了解其应用后，其实已不难推想MEMS的技术本质意涵，若说集成电路（IC）是将电子组件极度缩小化，使相同面积内可放入更庞杂的运作电路，那么MEMS可说是将机械组件同样极缩化，成为微型机械，并且再与IC的微型电子、电路搭配整合运用，如此就成了“微机电”。

更进一步说，IC芯片内具有众多的电阻、电容、二极管、晶体管等电子组件，那么在MEMS中除了可以包含所有IC所具备的组件外，还可以有传感器（Sensor）、致动器（Actuator）等机械性组件，甚至可以有齿轮、马达等。所以IC是极精巧的“电路”，而MEMS是极精巧的“电路＋机械”，微缩化的益处也与IC相同，如体积小、重量轻、耗电低等。

此外，为了能有自动化量产效益，MEMS在制作工艺上也尽可能与IC一致，所以MEMS在许多制作技术上能与IC兼容，以及现有晶圆厂、封测厂的生产线环境、设备也可部分沿用。

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MEMS的复杂难度与工艺挑战
单就用意想法来说，MEMS只是用微缩化工艺所制成的“电子＋机械”装置，但在实际实现技术而言，MEMS却会牵涉到许多的技术层面与技术难度，此绝不是“除电子组件再追加机械组件”般的单纯。

首先，MEMS必须追加考虑材料方面的问题，不单只是半导体所用的材料，机械组件部分也有其特有的材料考虑，且运作上要考虑机械物理性，如机械强度、摩擦力等，此外机械组件也会与其它物质接触，例如喷墨打印机的微型喷嘴即会与墨水接触，如此就必须考虑流体力学方面的因素，或者DLP投影机中的DMD内具有上千组的微型镜片，镜片会折射光源，因此也必须考虑光学方面的技术。

此外机械组件也会牵涉到控制，所以也要对电机领域中的自动控制有所了解。再者，MEMS将逐渐运用在人体内，做为身体功效机能的辅助、修补、强化之用，如此生物化学反应等也必须详加评估。

更重要的是，过程中并非只要将过往一般大小尺寸的机械性组件一味地进行缩体化即可，机械组件微缩化的结果，各种物理特性也必须重新估算与衡量，例如组件对温度、湿度的抗受性、对静电、电磁干扰的抗受性、机械惯性、热涨冷缩（热力学）特性等，统统要再次进行调修验证，这也如同今日的IC工艺，在不断微缩化的过程中也遭遇到愈来愈多的挑战，包括电阻电容延迟效应（RC Delay）的影响增大，串音噪声增大、漏电流增大、散热更困难等，这些都需要发展新技术来加以克服。

很明显的，MEMS所要考虑的领域层面与因素难度都比IC更高，加上微型机械的构造也比微型电子复杂，使加工技术与制造工艺自动化等都比IC更困难，所以MEMS的精缩化发展速度才会远落于IC，同时也因IC精缩化技术的快速突破与产业的快速增长，其光芒一直盖掩着MEMS，直至近年才渐受瞩目。不过至目前为止，MEMS的技术与产品在分工及标准性上都仍不及IC界。

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MEMS加工制造技术
由于MEMS中可以包含IC电路，且两者在制造工艺上都有尽可能精缩化、自动化的取向，所以两者的制造技术有相当程度的沿用。不过MEMS并非完全只用IC的制造工艺技术就能实现，还需用上许多MEMS专有的自属技术才行，以下我们针对两者在制造工艺上的差别进行了解。

今日IC所用的主材料多半为硅（Si），而对MEMS而言也适合用硅为材料，用硅材来实现机械组件有其益处，硅本身具有不易折断的特性，在机械运动时可靠耐用（往复使用的周期可达上百万次），此外单晶（Single Crystalin）硅合乎胡克定律（Hooke‘s law，也称：虎克定律），表现上几乎不具弹性滞后也几乎不耗能，因此适合用硅材加工成MEMS所需的机械组件，当然也适合MEMS中属于IC电路部分的电子组件。不过，除了硅之外，也有两种合适的MEMS材料：高分子材料（Polymer）与金属（Metal）。

先说明高分子材料，不使用硅材而改用高分子材料的主要理由在于成本，虽然结晶硅因为半导体产业的高度成熟发展而达到高规模用量的量价均摊，但结晶硅还是要从天然硅中经过层层不断的提炼才能成形，价格依然昂贵，相对的高分子材料也较其低廉，如此使MEMS可更适合在量大、低成本性的应用及生产，例如可抛式的血液测量器，测量器内所用的微流体装置即是需要大量低廉生产的MEMS装置。

也因为材料的不同，使得硅材料与高分子材料在制造成机械组件的加工方式有所不同，硅材用的是表面微加工、面型微加工、体型微加工、或与IC相同的制造工艺技术；相对的高分子材料是透过射出成形（Injection moulding）、压光（Embossing）、立体光固化（Stereolithography）等技术。

至于金属材料，虽然金属材料的诸多机械表现并不如硅材，但却具有高度的稳定性，因此也适合用于MEMS，目前适合做为MEMS的金属材料包括：铂、金、银、钛、钨、铝、镍、铬等等，至于运用的加工技术则有电镀（electroplating）法、蒸发（evaporation）法、喷溅（sputtering）法等。

除这些外，属于MEMS特有，且用于硅之外材料的加工技术还有：X光深刻技术、类LIGA光刻技术、精密电铸技术、微成形技术、微放电技术、微细低温技术、以及高分子加工技术等。其中LIGA相关技术已经成了另一门加工体系，除了类LIGA光刻（运用紫外光）的加工法外，还有微细电火花加工、超音波加工、电浆体加工、雷射加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。

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MEMS的市场与厂商
在观念、学理、技术之后，进一步的是MEMS的市场与厂商，以及各厂商擅长研制哪些MEMS装置。

关于此近年来最成功的MEMS装置是DLP投影机内所用的DMD，此方面属德州仪器（TI）的专项，由于DLP投影机的销售增长、市占率都大幅攀升，使DMD成为新宠的MEMS装置。其次是喷墨打印机的微型喷嘴，此以惠普科技（HP）在销售上最为领先。另外同样是喷墨打印机所用的微流体装置，则由意法半导体（ST）所主导。

而在无线射频相关的MEMS方面，安捷伦（Agilent）的FBAR双工器（Duplexer）等也在市场上有高度斩获；音讯方面（MIC、SPK）的MEMS则以Knowles Acoustics公司为领先。另外飞思卡尔（Freescale）也擅长于压力传感器、二轴与三轴的加速度传感器，此外任天堂（Nintendo）新一代电视游乐器：Wii，其搭配的游戏控制器内，也有使用上意法半导体（ST）与ADI的三轴加速传感器。

也因为MEMS市场的看法，所有也有更多的国内外厂商相继投入，例如德国车用电子的龙头：博世（Bosch）就另外成立了Bosch Sensortec（传感器技术）公司，该公司将专注于MEMS方面的技术与产品，由此可知未来车用电子将用上更多的MEMS装置。另外Kionix、日立金属（Hitachi Metals）、冲电气（Oki Electronic）等也都有意投入。

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更多应用的未来
从各层面看，MEMS未来尚有更多的可以运用及实现，例如在医疗上可以有智能型胶囊，可用来治疗细微的血管、神经等疾病，或如智能型灰尘（Smart Dust）可进行环境监控等，可以想象与发挥的应用仍相关宽广，有待更成熟技术来逐项实现。

更令人兴奋的是，MEMS技术持续精缩发展的结果，将逐渐迈入纳米尺寸等级的层次，届时MEMS一词将不再受用，当改成“纳机电，Nano Electro-Mechanical Systems；NEMS”，同时更精缩化也意味着有更多的应用可能，由此可知MEMS的未来将无可限量。

图右为一只虱子，图左则为六个用MEMS技术制成的齿轮，由此可知微机电技术的微小程度

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图2 图为DMD微镜装置中的两片微镜面，镜面之下透过机械操作来改变镜面的倾斜角度，
以角度的操作来决定光源的折射，往透镜方向折射则使光显露，往光源吸收器方向折射则使光遮蔽，
一个DMD内有上千片的光源反射镜

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图3 美国Sandia国家实验室用计算机所绘制的加速度传感器，加速度传感器也是最典型的MEMS装置。

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图4 飞思卡尔（Freescale）的加速度传感器芯片之显微图，图中偏左下位置的是控制IC，而偏右上位置的则是加速度的感测组件（组件位在方体的内部)

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图5 加州柏克莱大学（U.C. Berkeley）的Smart Dust、Mote等项目属于环境监测性的应用科学，也相当需要用上能更微小化的MEMS技术，图为Smart Dust的封装，封装内具有传感与无线传输等功效。

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图6 嵌于轮胎内，与轮胎一起转动，一方面感应胎压，一方面用无线传输将胎压信息回传到车体内的胎压监视系统（Tire Pressure Monitoring Systems；TPMS）也积极使用MEMS技术。

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看到那个放大了的跳蚤了么？
样子很酷吧？