微机电系统（MEMS）基础概念
2026年05月14日 19:07微机电系统（MEMS）的全称是 Microelectromechanical System，也被称为微系统技术（MST）或微型机械。这是一个涵盖多种微制造设计、方法和机制的术语，核心是在微观尺度上实现可运动的机械部件（如图 1 所示）。
图1 微机电系统（MEMS）的微观尺度范围
简而言之，微机电系统（MEMS）的核心是将传统庞大的机械系统转化为微型化、高性能且易于大规模生产的替代方案，这与集成电路和半导体技术对电气和电子系统的变革作用类似（如图 2 所示）。
图 2 微机电系统（MEMS）麦克风
2. 微机电系统（MEMS）的应用场景
微机电系统（MEMS）广泛应用于传感器、执行器、发生器、能源装置、生化与生物医学系统以及振荡器等领域。
具体应用实例包括：
图 3 微机电系统（MEMS）光开关
在更小的纳米尺度上，这种制造技术会演变为纳机电系统（NEMS）。此外，当微机电系统（MEMS）与其他技术集成时，会形成多种复合形态，例如：
3. 微机电系统（MEMS）的技术发展
微机电系统（MEMS）器件的首次实验室演示出现在 20 世纪 60 年代，形式为 MEMS 压力传感器。20 世纪 80 年代，相关学术研究进入快速发展阶段；20 世纪 90 年代，商业化开发与制造正式起步。如今，每个人的日常生活中都离不开 MEMS 器件，智能手机、智能手表和运动手环中均有其身影。
过去，飞机驾驶舱中用于确定横滚、俯仰和偏航角度的航空陀螺系统，重量达数千克，长度为几英寸；而如今智能手机中的 MEMS 陀螺仪，重量不足 1 毫克，尺寸仅相当于一粒沙子。随着尺寸的微型化，制造成本也大幅降低，规模经济效益显著提升，这与半导体行业中持续的微型化和成本下降趋势一致。
图 4 微机电系统（MEMS）振动能量收集器]（注：结构包含悬臂梁、电容器、电感器、CMOS 电路、振动能量收集单元）
此外，MEMS 器件还具备低功耗和高灵敏度的特点，这是传统机械器件在物理层面难以实现的。例如，MEMS 谐振应变片的功耗仅为微瓦级，灵敏度可达纳应变范围；而传统金属箔应变片的功耗为数百毫瓦级，最高精度仅能达到数微应变。再如，传统微量天平的精度局限于数十至数百微克，而 MEMS 微量天平的分辨率可达到皮克甚至飞克级。
4. 微机电系统（MEMS）的优缺点
（1）微机电系统（MEMS）的优势
（2）微机电系统（MEMS）的劣势
5. 微机电系统（MEMS）的制造流程
传统的 MEMS 器件以硅为微机械加工基材。硅晶圆有多种类型，可通过掺杂实现不同的导电水平。此外，还可添加其他功能材料以赋予器件特定性能，例如电极层或压电层。MEMS 的设计与制造包含一系列步骤和循环，具体可概括为：
图 5 微机电系统（MEMS）制造步骤（注：流程说明：以基底晶圆为起点，通过掩模和光刻技术转移设计图案，沉积材料并进行图形化处理，去除材料或注入掺杂剂，重复上述过程，最后经过测试、切割、封装并再次测试；核心提示：制造过程需经过多轮增材、减材、图形化和微机械加工步骤）
6. 微机电系统（MEMS）换能器的类型
为了与外界环境交互，MEMS 器件可采用多种转换机制。通常情况下，这些机制是机械-电信号的相互转换，因此可通过接口电路控制 MEMS 器件及其与机械世界的交互。此外，还可利用多种其他类型的换能器，实现与化学、光、磁、射频（RF）等领域的交互。
图 6 微机电系统（MEMS）中的静电梳状驱动器
在硅基 MEMS 中，静电式换能器是传统上最常用的类型。这是因为无需额外的特殊材料，微机械加工后的硅可通过掺杂获得导电性。通过在一对电容平行板之间建立电场，可维持静电力；当机械运动改变平行板间距时，可测量板间的电信号；反之，施加动态电信号可驱动平行板运动。在 MEMS 静电式换能器中，梳齿结构应用广泛，其目的是最大化换能器的电容表面积。
过去十年间，随着压电材料微机械加工制造技术的进步，压电式换能器在 MEMS 设计中的应用也日益广泛。适用于 MEMS 的压电材料通常包括氮化铝（AlN）、氧化锌（ZnO）、溶胶-凝胶锆钛酸铅（PZT）、薄体 PZT 以及多种铌酸盐复合材料。随着制造技术的进一步成熟，更多功能材料有望与硅微机械加工工艺集成。
MEMS 中常用的换能器类型包括：
参考资料An introduction to MEMS