什么是MEMS器件？
微型机电系统（MEMS）是介于电子器件和机械器件之间的微米级系统。在MEMS器件中，电信号会输入到器件中，然后输出是一个机械响应，反之亦然（机械输出将对应电信号输入）。不过，MEMS始终需要具备机械功能，即便其内部的机械结构并没有明显的运动。因此，尽管包含先进的电子器件，但它们通常会被称为机械系统。
MEMS包含大量微型化电子元件及机械结构，其中包括致动器、微传感器、悬臂、微镜、薄膜、小型通道、开关、空腔，以及作为MEMS的“大脑”和控制中心的微电子集成电路（IC）。一般情况下，由硅基板构成IC，然后上面会添加其它微系统组件。
MEMS技术问世已有数年，而且随着“小型化”技术发展趋势，其被视为电子技术的未来。这是因为MEMS制造是基于当前使用的现有半导体微加工技术，例如表面微加工、光刻和干式蚀刻等。
尽管MEMS现在是一项极为成熟的技术，但直到2006年任天堂在其Wii遥控器中使用了基于MEMS的加速计，其才有了大量的商业应用。从那时起，MEMS器件在许多应用领和工业领域都得到了普及。通过这一扩张和市场渗透，现在已出现了种类繁多的MEMS器件，它们能够集成和组合许多具有不同电气和机械特性的小型部件和组件，从而构建出独特的高性能微米级系统。
MEMS器件的类型
许多MEMS器件都具有传感、致动或谐振功能，可充分利用高级半导体制造技术来构建具有低功耗的高精度小型轻量级器件。
许多MEMS器件被应用在传感器和致动器领域。这两个领域之间的主要区别在于：传感器会将非电信号（如机械信号）转换为电气输出，而致动器则将接受电信号并将其转换为机械运动。
许多MEMS组件可安装在硅晶圆上，而且工程师现在可获得微米级器件，其中传感器可以与其它电子信号调节电子器件共置，从而构建出更类似于传感器的系统，而不仅仅是 “MEMS传感器”。
MEMS器件通常分为四大类：电容式、陀螺仪式、压电式和激光式MEMS。许多MEMS器件通常属于一个或多个类别，因此很难将器件单独归为一类。不过，其可分为以下主要类别：
- 电容式MEMS：电容式MEMS用于导电应用，MEMS中的内部元件会检测电容变化。
- 陀螺仪式MEMS：陀螺仪式MEMS通过将物体上的惯性力与参考值进行比较来测量系统的角速率。
- 压电式MEMS：当器件出现机械变形时，这些MEMS会利用压电效应（重新分配材料晶格中的电荷）来产生电流。
- 激光式MEMS：激光式MEMS通过将其输出波长调整至所需的电磁频谱大小/区域来调谐激光器。其可用于为不同应用调谐不同类型的激光，从声光滤波器到光学通信和汽车照明，不一而足。
许多MEMS传感器属于惯性测量单元（IMU）类别，其会将机械响应转换为电信号输出。IMU可用于包括安全气囊部署、虚拟现实头戴设备、无人机导航和地图系统的陀螺仪，以及用于视频游戏机、摄像头和飞机姿态控制系统应用的加速计。
一些常见的致动器包括数字光处理（DLP）芯片、扬声器、微泵、旋转微电机、钳子、打印机、微齿轮、微阀、微镜和开关等。开关是重要的致动器应用领域，需要了解“拉入”电压以及拉入和释放电压之间的滞后，才能优化超小型开关的设计。
另一个基于MEMS的传感器是触觉传感器，其包含电活性胶带，这些胶带按压时会产生气泡并发出电信号，或通过使用磁效应和电活性流体来产生电信号，其应用包括触摸屏和指纹传感器。其它MEMS传感器，还包括气体传感器和应变传感器等。
MEMS振荡器是另一个非常重要的器件架构。MEMS振荡器包含一个使用模拟驱动器生成压电激励的谐振器。MEMS振荡器可产生从1赫兹（Hz）到数百兆赫兹（MHz）的稳定频率。
射频（RF）滤波器是另一种基础MEMS器件，目前是MEMS技术最大的市场之一。在这种情况下，机械输出会创建一款小型低成本的滤波器，其可执行多种滤波功能，其中包括宽带、窄带、低通和高通滤波。在RF滤波器领域，MEMS可用于构建声表面波（SAW）和体声波（BAW）滤波器。
MEMS应用的多样性
MEMS器件种类繁多，在汽车、航空航天、国防和医疗保健等众多应用和行业中，MEMS 都发挥着重要作用。比如，MEMS传感器可用于检测不同行业中的各种刺激，包括声学、流体流动、温度、压力、半导体制造设备的真空度、惯性效应、磁场、化学品以及辐射等。
MEMS传感器器件的一些常见示例包括红外探测器、磁力计、温度传感器和压力传感器等。MEMS加速计、陀螺仪和其它惯性传感器被广泛用于航空航天领域，在该领域中，一切都在高速运转，所以传感操作需要极高的精度。
此外，MEMS还可用于小型能量收集应用，其不仅可为医疗及健康监控可穿戴设备和植入式医疗器械（IMD）（属于bioMEMS子领域）供电，而且还可为其它小型便携式电子产品供电。在便携式消费类电子产品领域，MEMS既可在智能手机中用作RF滤波器，也可用作触摸屏显示器的触觉传感器。其它RF滤波器（SAW或BAW）目前可用于Wi-Fi、蓝牙和长期演进（LTE）应用。
除了更多常规应用之外，MEMS还存在于许多专业领域，包括自动驾驶汽车、安全气囊部署以及自动化应用中的传感器；高清投影仪的微镜阵列；喷墨打印头；微型换热器；用于低损耗通信的光交换机和光子器件；以及，微流体器件等。
设计MEMS的考量因素
MEMS尺寸小、灵敏度高，易于受到任何运动或冲击的影响，从而可能会导致错误信号，因此其设计和制造流程可能会面临大量挑战。此外，还需要在器件中加入热补偿和离轴补偿并加以考虑。设计MEMS的挑战在于：其很小、几何结构很复杂，但机械部件的运动却小得多（小几个数量级）。因此，需要借助高级仿真功能来了解MEMS的结构和工作情况，并确保设计非常稳健，以完全应对制造过程中存在的自然变差。
MEMS器件中的一切均由灵敏度和质量系数决定，该系数是衡量能耗的指标。然而，MEMS器件的频率可能非常高，因此需要加以考虑：对于惯性传感器而言，其频率在数百千赫（KHz）至兆赫（MHz）之间，而对于RF滤波器而言，频率可达千兆赫（GHz）。滤波器是阶跃函数，因此预测耦合位移和电压场的准确性至关重要，精度决定了滤波器曲线的斜率，即从0到无穷大。滤波器要具有陡峭的响应曲线，才能成为有效滤波器，因此需要非常精确的工具来准确评估该曲线的陡峭程度以及其对温度变化的敏感性。
对于许多MEMS器件来说，设计和优化机械组件中使用的尺寸和材料，是设计流程最重要的环节之一。通过查看输入，并了解信号如何在器件两个点之间传输，以及最终输出的内容，可设计出最佳结构。如果所得到的输出与给定输入不匹配，则说明设计空间不是最佳的。这些方面都可以通过使用先进的仿真软件来分析和求解，从而设计出高性能的MEMS器件。
哪些仿真工具可用于设计MEMS？
仿真工具不仅需要能够构建复杂的设计，而且还需要具有高精度。Ansys工具具有皮米级分辨率，因此这些仿真工具不仅可用于MEMS，而且还可用于其相对应的更小纳米技术产品，即纳米机电系统（NEMS）。NEMS仿真，其实就像把设计放大到更小的尺度，而皮米分辨率则可提供这种功能。
一个声表面波（SAW）器件的单个扇区，在其中一对叉指电极上施加2.2 GHz交流信号后，显示出结构性驻波。
对于MEMS性能设计和仿真，可使用Ansys Discovery和Ansys Mechanical软件。先使用Ansys Discovery进行预处理，然后使用Ansys Mechanical进行仿真。Discovery可用于布局不同的几何结构并处理MEMS制造过程中工艺引起的变化，例如研究蚀刻工艺并将其与制造过程中可能测量的关键尺寸相关联。使用Discovery软件，可以在通过Mechanical进行仿真之前，对几乎所有不同的几何结构变化进行预处理，其中这些几何结构和所有其它特性均可通过晶圆级仿真缩放。对于更详细、更独特的几何结构变化，可以使用各种自动方法移动Mechanical中代表几何结构的节点。
使用具有皮米分辨率的专用预处理和晶圆级仿真方法，不仅有助于加速设计进程，而且还可确保设计准确，确保其具有所需的规范，从而可为其预期应用提供高性能MEMS器件。如欲进一步了解Ansys仿真工具如何改进MEMS器件的设计流程，欢迎立即联系我们的技术团队。