这个世界正在小型化！微机电系统（MEMS）技术的诞生，为人类实现世界尽在“掌”握中，提供了无限的可能……
看智能手机传感器微结构、生物医疗基因测序芯片、美容护肤纳米3D细胞打印、智能灰尘、纳/皮型卫星……这些曾只出现于科幻电影的超级梦想，都正借助MEMS技术一一实现。MEMS当之无愧被誉为微纳制造技术之“明珠”！
什么是MEMS？
MEMS的英文全称是Micro-Electro-Mechanical Systems，中文全称是微机电系统，在欧洲或被称为微系统，在日本或被称为微机械。
MEMS是能够实现机械、力学等功能的特殊半导体元件，主要包括传感器和执行器两大类，二者又统称为换能器（即Transducer）。所谓换能器，是将能量从一种形式转换为另一种形式的装置。
MEMS集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，涉及多种学科和工程技术，具有体积小、重量轻、功耗低、价格低、集成度高、可批量制造等优点，在消费电子、汽车电子、工业控制、健康医疗、航空航天和军事国防等领域市场广阔。
自20世纪80年代中后期MEMS技术崛起以来，其发展极为迅速，被认为是继微电子后又一个对国民经济和国防军事具有重大影响的技术领域，已成为21世纪国民经济新的增长点和提高国防军事能力的重要技术途径。
三大优势
使MEMS赚足眼球
虽然，不同MEMS器件的技术发展和商业化原因并不完全相同。但是，MEMS器件和微加工技术的三个重要特点非常引人瞩目，被业内人士戏称为“3M”，即小型化（Miniaturization）、微电子集成（Microelectronics Integration）和高精度的批量制造（Mass Fabrication with Precision）。
小型化
典型MEMS器件的长度约为1微米至1厘米。当然，MEMS器件阵列或整个MEMS系统的尺寸会更大一些。小尺寸能够实现柔性支撑，带来高谐振频率、低热惯性等优点。如，微加工器件的热传递速度通常更快。
然而，小型化带来的并不全是更好的特性，也可能带来问题。有些在大尺寸下非常显著的物理效应，在器件尺寸变小后，性能可能变差。反之，有些器件在大尺寸下可忽略的物理效应，在微观尺寸范围内会突然变得显著。就如跳蚤可跳过自身高度的几十倍，而大象则根本不可能一样。
近些年，业界已开始研究特征尺寸在1纳米至1微米之间的机电器件，以探索传统MEMS尺寸进一步减小后的尺度效应。这类器件和系统称为纳机电系统（NEMS）。很多NEMS器件都是采用纳米结构组装技术制备的，如纳米管。在某些应用领域，NEMS能提供MEMS所不具有的性能特点，如可达到吉赫兹（GHz）范围的超高机械谐振频率等。
微电子集成
MEMS的另一亮点，是可以将传感器和执行器的机械元件与处理和控制电路同时集成在一颗芯片上。这种集成形式主要依托单片集成，即应用整片衬底的加工流程，将不同部件集成在单片衬底上的方法;不包括机器拾取或人工装配等混合组装方法。单片集成的技术要求高，而光刻技术可确保器件尺寸和元件位置的精确性。
虽然不是所有的MEMS器件都要采用单片集成的方式，但是集成电路和机械元件单片集成的方式，已促进了多种MEMS产品的商业化，如加速度计、压力传感器、数字微镜阵列和喷墨打印头等产品。
高精度的批量制造
MEMS制造技术是下至纳米尺度、上至毫米尺度的微结构加工工艺的通称。这项技术起源于半导体和微电子工艺，以光刻、外延、沉积、氧化、扩散、注入、溅射、蒸镀、刻蚀等为基本工艺步骤，用以制造复杂且高精度的二维和三维结构，如倒金字塔状的孔腔、高深宽比的沟道、硅通孔、悬臂梁和薄膜等。而传统的机械加工技术不能重复、高效率、低成本地加工这些微结构。
类似于集成电路（IC），MEMS器件一般都是在硅晶圆上批量制造而成的。批量制造可大大降低生产成本，而且地球表层硅的含量为2%，几乎“取之不尽，用之不竭”，因此MEMS产品在经济性上更具竞争力。但在某些领域，MEMS正在使用其他非硅材料，如聚合物和玻璃，以满足生物检测和光学系统的需求。
基于这三大亮点，使得MEMS器件具有广阔的应用前景。毫无疑问，随着研究的逐步深入，在未来，MEMS还会不断有新的发现和应用涌现。
MEMS的“前世今生”
MEMS概念假想始于1959年，著名物理学家理查德·费曼在美国加州理工学院进行了题为《底部有充足的空间（There's Plenty of Room at the Bottom）》的经典演讲。他在演讲中提出在微纳尺度上操纵物质的可能性及将面临的挑战。萌芽期
20世纪60年代起，此技术经历了20年的萌芽阶段。这段时期开展了一些有关MEMS的零散科学研究，如开发了硅各向异性腐蚀技术，被用于在平面硅衬底上加工三维结构。一些研究机构和工业实验室也开始用集成电路加工技术制造MEMS器件（如悬臂梁、薄膜和喷嘴）。MEMS传感器的关键部件（如单晶硅、多晶硅中的压阻）也被发现、研究和优化。在这个阶段，这些研究领域的名称并未统一，但体硅加工技术和表面硅加工技术却迅速成熟起来。
到了20世纪70年代，IBM实验室的库尔特·彼得森（Kurt Petersen）及其同事们研发了薄膜型（Diaphragm-type）硅微加工压力传感器，采用体硅加工技术得到了非常薄且嵌入有压阻传感器的薄膜，可进行批量生产。这种压力传感器在血压测量和工业控制上逐渐被应用，是MEMS技术进入商业化的标志性实例。
除了压力传感器，喷墨打印头也是萌芽阶段的重要成果之一。如今，喷墨打印机已经是激光打印机的廉价替代技术，它不但性能好，而且可提供高品质的彩色打印。1978年，惠普公司首先发明了基于MEMS技术的喷墨打印头。它采用硅微机械加工技术，可以制造出尺寸非常小的喷嘴阵列，而且这些喷嘴阵列可排列得非常精密，这对实现高分辨率和高对比度打印非常之重要。
硅材料奠定地位
20世纪80年代后期，科研人员主要研究硅作为MEMS制作材料的应用—单晶硅衬底或多晶硅薄膜。因为集成电路的广泛采用，这两种材料比较容易得到。单晶硅用作集成电路衬底，多晶硅用作晶体管的栅电极。1984年，彼得森发表了一篇重要论文《硅作为机械材料》，随着MEMS研究的迅猛发展，该文从90年代至今仍被广泛引用。
1989年，美国加州大学伯克利分校首次研制出了表面硅加工的多晶硅静电电动机。电动机的直径小于120微米，厚度仅为1微米，在350伏的三相电压驱动下，最大转速可达500转/分钟。虽然当时这种电动机的应用有限，但它却着实激起了科学界和普通大众对MEMS的热情。
20世纪90年代，全球MEMS研究进入了突飞猛进、日新月异的阶段。各国政府和私人基金机构都设立相关基金以支持MEMS研究工作。一些企业的科研投入开始有了产出。非常成功的例子有Analog Devices公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及德州仪器用于投影显示的数字微镜阵列。
光学MEMS与生物MEMS
20世纪90年代后期，光学MEMS发展迅速。世界各地的科研人员竞相开发微光机电系统（MOEMS），希望将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器、相位调制器等部件应用于光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等领域。随着互联网和个人无线通信的迅速发展，光学MEMS大规模商业化研究变得如火如荼。
此外，生物MEMS和RF MEMS（用MEMS技术加工的射频产品）的研究工作也在进行中。生物MEMS主要涉及生物学研究、医疗诊断和临床介入等领域，典型应用如视网膜植入、神经探针、药物注射微针阵列、嵌入式生物传感器，以及含有传感器的智能手术工具等。RF MEMS主要包括继电器、可变电容和电感、谐振器、滤波器及天线等。
21世纪，MEMS的舞台
进入21世纪后，以智能手机为代表的消费电子掀起了新一波产业化发展浪潮，加速度计、陀螺仪、磁力计、MEMS麦克风等产品在市场中实现爆发性增长。
这波浪潮中的开拓“功臣”，应归功于加速度计。正是因为有了基于加速度计的Wii（任天堂推出的第5代家用游戏机）的诞生，让市场认可了MEMS技术进入消费电子市场的可能。
2007年，日本任天堂公司凭借此技术，一举拿下了2100万部的产品销量，使视频游戏产业的销售额破了179亿美元的纪录。该产品如此成功，最主要的因素之一便是采用了以MEMS技术为基础所构建的三轴加速度计。
如今，国外以iPhone为代表的智能手机、智能可穿戴设备、智能家居、无人驾驶汽车、生物医疗、航天航空等领域，都已大量运用了各种MEMS器件，越来越多的新生事物也正推动MEMS市场的新一轮爆发性增长。
