MEMS是什麼？手機裡微小「會動的機械」的原理
MEMS（微機電系統）是用和晶片相同的技術，在矽裡做出肉眼分辨不出的微小「會動的零件」的元件。它用在測量手機傾斜與旋轉的感測器、麥克風、汽車的安全氣囊感測器、印表機的噴墨頭、投影機的鏡子等地方。許多感測器裡，有彈簧支撐的小重物或薄膜會微微移動。間隙因此產生的變化，會被當成電的變化讀出來。
這篇文章可以了解
- MEMS是什麼，用在身邊的哪些地方
- 手機的加速度計與陀螺儀，如何測量動作
- 用晶片的技術做出會動零件的方法（犧牲層蝕刻、博世製程）
- 做得小的好處，以及黏附和封裝的難處
先備知識：沒有特別需要。會稍微用到儲存電的零件（電容器）的概念，本文會說明。
生活中的例子
把手機轉成橫向，畫面也會跟著變成橫向。蘋果在2007年第一代iPhone的發表資料中說明，這個切換用到感應傾斜的加速度計。2010年的iPhone 4，又加入了測量旋轉速度的陀螺儀。兩者都是內部有微小會動零件的MEMS。
通話和語音輸入用的麥克風，也廣泛使用MEMS。在汽車上，它一直用在感應碰撞時的急遽減速、發出打開安全氣囊訊號的感測器。噴墨印表機的噴墨頭、電影院的投影機裡也有。這些會在後面的段落逐一介紹。
MEMS是什麼：用晶片的做法做出的微小機械
MEMS是英文Micro Electro Mechanical Systems的縮寫，意思是「非常微小的電與機械的系統」。中文稱為微機電系統。它不只有電路，還把會彎曲的彈簧、會振動的薄膜等機械部分，整合在一個小元件裡。
特點是用和晶片相同的工具製作。在矽做成的圓形薄板（晶圓）上疊上薄膜，用光轉印圖案，再削掉不要的部分（「半導體晶片是怎麼做出來的？」）。一般的晶片，用這種方法做出配線和電晶體。MEMS則是在削去之後，留下「能動的形狀」。
矽不只是電子零件的材料，也是優秀的彈簧材料。做得很小的矽彈簧，只要在不折斷的範圍內，彎曲後都能準確恢復原狀。1982年，美國的庫爾特·彼得森（Kurt Petersen）發表論文「把矽當作機械材料」，廣泛介紹了這個想法。
舉個尺寸的例子。美國亞德諾半導體（Analog Devices）有一款測量動作的感測器ADXL105。它的感測部分約0.5 mm × 0.4 mm，厚度只有2 µm（1000分之2 mm）（該公司的技術刊物）。
原理①：加速度計，由彈簧支撐的質量塊
速度改變的程度，稱為加速度。靜止的電車開始行駛，或汽車煞車停下時，都會產生加速度。測量加速度的元件，就是加速度計（也稱加速度感測器）。
裡面有一個由彈簧支撐的小重物，稱為質量塊。元件的外殼突然移動時，質量塊會想留在原地，因此稍微落後。結果，質量塊相對於外殼會稍微偏移。加速度越大，偏移也越大。
加速度計也能感應重力。即使手機放在桌上，裡面的質量塊也被重力往下拉，稍微偏移。從偏移的方向，就能知道機身朝哪邊傾斜。畫面方向的切換，就是利用這個原理。
汽車的安全氣囊也一直使用這種感測器。亞德諾半導體在1991年發表安全氣囊用的加速度計ADXL50，1993年前也開始量產（零件經銷商Digi-Key的解說）。它把感測器和讀取電路放在1顆晶片上，還具備檢查自身故障的功能。在此之前，主流是小球在筒中移動的機械式感測器。
原理②：用電讀出偏移，間隙與電容器
質量塊的偏移非常小，直接看是看不見的。因此，要在質量塊旁邊放一片不會動的板子，稱為電極。它是會導電的板子，隔著間隙和質量塊相對。
隔著間隙相對的兩片板子，和儲存電的零件「電容器」形狀相同。間隙越窄，能儲存的電量越大（「電容器是什麼？」）。質量塊偏移、間隙改變，能儲存的電量也會改變。晶片裡的電路，會測量這個變化。
實際上，質量塊兩側都放了電極。一側的間隙變窄，另一側就會變寬。取兩者的差值，就能抵消溫度等讓兩側同樣改變的影響。像這樣由儲存電的難易度變化讀取動作的方式，稱為電容式感測。
這個變化非常小。和地球重力相同強度的加速度，寫作1 g。ADXL105即使受到1 g，儲存電的難易度也只改變約1500分之1。為了讀出它，測量電路就做在感測器旁邊。
也有不看間隙的方式。它把彈簧根部的形變，當作導電難易度（電阻）的變化來讀取（壓阻效應）。兩種方式的差異，整理成表格在「電容式與壓阻式MEMS感測器的差異」。
原理③：陀螺儀，旋轉產生的橫向力
陀螺儀是測量旋轉速度的感測器。加速度計靠重力得知傾斜，但有不擅長的動作。把手機平放在桌上水平轉動，重力的方向並不會改變。因此，加速度計幾乎測不到變化。
MEMS陀螺儀裡，質量塊一直朝固定方向快速地來回振動。在這個狀態下整個元件旋轉時，質量塊會被推向和來回方向垂直的方向。這是在旋轉的東西上、作用於移動物體的「看起來的力」，稱為科氏力。
旋轉越快，推的力越大。質量塊往橫向偏移的量，和加速度計一樣當作間隙的變化讀出（MEMS陀螺儀的論文）。重點是讓質量塊來回振動的電極，和讀取橫向偏移的電極，要分開準備。
製作方法①：溶掉下層，讓結構浮起來
要做會動的零件，下面需要有間隙。但晶片的做法，是把薄膜從下往上一層層疊上去。懸空的形狀，沒辦法一下子疊在上面。
所以，要先放一層之後會去除的層，稱為犧牲層。在上面疊上結構的薄膜，最後只用藥品把犧牲層溶掉。這樣上面的薄膜就會浮起來，成為能動的細長板子（樑）或薄膜。這個方法就是犧牲層蝕刻。
犧牲層常用玻璃的主要成分二氧化矽，再用名為氫氟酸的藥品溶掉。結構的薄膜，常用由細小結晶聚集而成的矽（多晶矽）（美國加州大學柏克萊分校的課程講義）。氫氟酸很容易溶解二氧化矽，卻幾乎不溶解矽。靠這個溶解程度的差異，只留下需要的形狀。
這有點像做混凝土樓板時，先在下面搭臨時支撐，等凝固後再拆掉。不過犧牲層不是拆掉，而是溶解後沖走。形成的間隙，通常也只有幾µm（幾千分之一 mm）以下。
製作方法②：挖得又細又深，博世製程
MEMS常需要把矽挖得又深又直。這是為了讓質量塊更重，或是加大電極相對的面積。但是用藥品或氣體去削，往往不只往下削，也會往旁邊削。
這裡用對氣體通電產生的「電漿」來削（「電漿是什麼？」）。1990年代初期，德國的零件製造商博世（Bosch），開發出用電漿挖深的方法（德國研究機構的資料）。這個方法以公司名稱命名，稱為博世製程（Bosch process）。
步驟有3個。①挖一點。②在孔的內側整面鍍上薄薄的保護膜。③從正上方打入帶電的粒子（離子），只打穿底部的膜。底部露出來後，再回到①挖一點。側壁有膜保護，所以幾乎不會往旁邊擴大。
靠這樣的重複，能挖出比寬度深得多的孔或溝槽。不過因為是一點一點挖，側壁會留下細小的波紋。第一台商用設備，由英國的設備製造商（現在的SPTS公司）在1995年出貨（該公司的資料）。現在，它也用在挖出縱向貫穿晶片的孔的步驟。
為什麼做得小比較好
第一，能做得便宜。在1片晶圓上排列數千個以上（依零件大小而定）相同的零件，一次做出來。和逐一組裝的機械零件相比，能大幅降低每1個的價格。
第二，用電很少。會動的部分非常輕，只要一點電就能驅動或測量。手機能一整天計算步數，也要歸功於這種省電。
第三，能以一致的品質大量生產。根據調查公司Yole Group，2024年全球出貨的MEMS約310億個，營收約154億美元。能備齊這麼多品質相同的零件，是因為採用了晶片的製作方法。
困難之處：黏附與封裝
在微小的世界裡，比起重量，表面之間互相吸引的力更明顯。特別危險的是溶掉犧牲層後，把清洗用的水弄乾的時候。殘留在間隙裡的水，表面想要收縮的力，會把浮起的樑拉向底座黏住。這個現象稱為黏附（英文stiction）。
對策之一，是把水先換成酒精，再換成液態二氧化碳，然後才弄乾。提高壓力和溫度，讓液體和氣體之間沒有分界，表面收縮的力就不會作用（柏克萊分校的課程講義）。也有在表面加上撥水的膜，防止使用期間黏住的做法。
另一個難處是封裝，也就是包覆的方式。一般的晶片用樹脂包起來保護（「半導體封裝是什麼？」）。但是把MEMS包起來，它就不能動了。所以要在會動的部分上方蓋一個小蓋子，留下空間再封住。
陀螺儀常把內部抽成接近真空再封住（MEMS封裝的論文）。因為有空氣的話，來回的振動很快就會減弱。相反地，麥克風需要讓聲音進入的孔。每種零件都必須在保護方式與對外的連接方式上下功夫。
其他身邊的MEMS
MEMS麥克風
薄膜和開了許多孔的堅硬板子，隔著間隙相對。聲音讓空氣壓力改變時，薄膜會振動，間隙也跟著改變。代表性的方式是和加速度計一樣，把它當作電容器的變化讀出（2024年MEMS麥克風的回顧論文）。美國的樓氏電子（Knowles）在2000年代初期推出MEMS麥克風。該公司的工程師在2006年的論文中，稱它為「第一個商品化的MEMS麥克風」。
噴墨印表機的噴墨頭
這裡介紹利用熱的方式。用噴嘴深處的小加熱器瞬間加熱墨水，會產生氣泡，把墨滴推出去。HP在1984年推出採用這種方式的印表機ThinkJet（HP的資料）。1997年美國國家研究委員會的報告寫道，這種噴墨頭無論數量或金額，都是MEMS最大的商業成功。
投影機的微小鏡子
美國德州儀器（TI）的賴瑞·宏貝克（Larry Hornbeck），在1987年做出排列微小鏡子的元件「數位微鏡（DMD）」。美國機械工程師學會（ASME）介紹它是排列最多約200萬個鏡子的元件。基本上每1片鏡子負責影像的1個點，靠改變傾斜角度，切換把光送往鏡頭或偏向外面。
傾斜角度例如車用產品是+12°和−12°兩種（TI的規格書）。亮度用鏡子把光送往鏡頭的時間長短來表示。使用這種元件的投影方式稱為DLP，也用在電影院的放映機（美國MIT的Lemelson計畫）。
常見的誤解
誤解：MEMS是小齒輪、小馬達在轉動的「迷你機械」
實際上，身邊產品裡的MEMS，大多沒有互相摩擦的部分。它們靠像彈簧一樣彎曲的樑或振動的薄膜來動作。因為在微小的世界裡，表面互相吸附的力很強，摩擦的部分容易黏住或磨損。齒輪常被畫成好懂的插圖，但不是量產品的主角。
誤解：手機只靠陀螺儀得知方向
實際上，哪邊是下方（傾斜），是加速度計從重力得知的。2007年的第一代iPhone沒有陀螺儀，靠加速度計切換畫面的直向與橫向。陀螺儀負責測量旋轉速度，結合兩者的結果，才能順暢地追蹤動作。
誤解：MEMS是用和晶片完全不同的技術製作
實際上，鍍膜、轉印圖案、削除這些基本工具，都和晶片共通。柏克萊分校的課程講義說明，做在表面的MEMS只用晶片的製造設備就能製作。在此之上，再加上溶掉犧牲層、挖深、蓋上蓋子封住等MEMS專用的步驟。
從數字來看
| 數字 | 代表什麼 |
|---|---|
| 0.5 mm × 0.4 mm、厚2 µm | 加速度計ADXL105感測部分的大小（亞德諾半導體） |
| 約0.5 µg | 同一感測器質量塊的重量（µg是100萬分之1公克） |
| 約1500分之1 | 同一感測器受到1 g的加速度時，儲存電的難易度變化的比例 |
| 1987年 | 投影機用的微小鏡子元件（DMD）做出來的年份（ASME） |
| 1991年 | 安全氣囊用的加速度計ADXL50發表的年份 |
| 約310億個 | 2024年全球出貨的MEMS數量（Yole Group，2025年的發布） |
表中的「1 g」是加速度的單位，和重量的1 g（公克）是不同的東西。質量塊的重量約0.5 µg，是1公克的200萬分之1。這麼輕的質量塊的偏移，竟然能用電讀出來。
進一步學習
- 相關文章：「手機裡的半導體」（MEMS以外裝在手機裡的晶片）、「觸控螢幕的原理」（同樣讀取儲存電難易度的變化）、「電容器是什麼？」、「電漿是什麼？」
- 用表格看差異：電容式與壓阻式MEMS感測器的差異 / 等向性蝕刻與非等向性蝕刻的差異 / KOH與TMAH的差異（用藥液挖矽的方法，中級）
- 下一步的用語：非等向性蝕刻、陽極接合、SOI晶圓、霍爾元件