什麼是 MEMS 裝置？

微機電系統 (Microelectromechanical systems；MEMS) 是微米大小的系統，介於電子和機械裝置之間。在 MEMS 裝置中，電子訊號會輸入至裝置，並輸出為機械反應，反之亦然 (機械輸入會擁有電子輸出)。然而，MEMS 一律需要具備機械功能，即使機械結構並未實際移動也是如此。因此，即使它們包含先進電子，通常仍稱為機械系統。

MEMS 含有許多小型化電子元件和機械結構，其中包括致動器、微感應器、懸臂、微鏡、薄膜、小型通道、開關、空腔以及作為 MEMS 的「大腦」和控制中心的微電子積體電路 (IC)。通常，會使用矽基板來形成 IC，並會將其他微型系統元件加在上方。

MEMS 技術現在已經存在很多年，隨著現代技術不斷向小型化發展，會將此視為電子產業的未來。這是因為 MEMS 製造基於當今使用的現有半導體微製造技術，例如表面微加工、微影製程和乾蝕刻。

雖然它現在已是一項成熟的技術，但在 2006 年 Nintendo 將 MEMS 式加速度計用於其 Wii 遙控器之前，MEMS 並沒有太大的商業用途。自此之後，MEMS 裝置的普及與使用已擴展到許多應用和產業部門。隨著此擴充性和市場滲透率的提升，現在有許多類型的 MEMS 裝置，這得益於能夠整合及結合許多具有不同電子和機械性能的小型零件和元件，進而打造出高效能的獨特微米大小系統。

許多 MEMS 裝置用於感應、致動或共振功能，並利用先進的半導體製造技術來打造高度準確、小型、輕量的低功耗裝置。 

許多 MEMS 裝置屬於感應器和致動器的應用範疇。兩者之間的主要差異是感應器會將非電子訊號 (例如機械訊號) 轉換為電子輸出，而致動器則會取得電子訊號並將其轉換為機械運動。

許多 MEMS 元件可以安裝到矽晶圓上，且工程師現在可以存取微米大小的裝置，而感應器可以與其他電子訊號調節電子同時置放，藉此打造更像是一個傳感器的系統，而不僅是一個「MEMS 感應器」。

MEMS 裝置通常分為四個主要類別：電容、陀螺儀、壓電和雷射型 MEMS。許多 MEMS 裝置通常屬於這些類別中的一或多個，因此很難將裝置隔離為單一類別。然而，主要類別為：

1. 電容：電容 MEMS 會用於導電應用，且 MEMS 的內部元件會偵測電容的變更。 
2. 陀螺儀：陀螺儀 MEMS 會透過將物體上的慣性力與參考進行比較來測量系統的角速率。 
3. 壓電：這些 MEMS 會在裝置發生機械變形時，使用壓電效應 (材料晶格中電荷的再分布) 產生電流。 
4. 雷射型：雷射型 MEMS 會用來透過將其輸出波長變更為所需電磁頻譜大小/區域來調整雷射。可用來針對範圍從聲光濾波器到光學通訊和汽車照明的不同應用，調整不同類型的雷射。

許多 MEMS 感應器屬於慣性測量單元 (IMU) 類別，其中機械反應會轉換為電子輸出。IMU 包括用於安全氣囊展開、虛擬實境頭戴式裝置、無人機導航和繪圖系統的陀螺儀，以及用於電玩遊戲機、攝影機和飛機姿態控制系統應用的加速度計。

一些常見的致動器包括數位光處理 (Digital Light Processing；DLP) 晶片、揚聲器、微型泵、旋轉微型馬達、鑷子、印表機、微齒輪、微閥、微鏡和開關；開關是一個關鍵致動器領域，需要瞭解「吸附」電壓以及吸附和釋放電壓之間的磁滯，才能最佳化非常小開關的設計。

另一種 MEMS 式感應器是觸覺感應器，其包含電活性膠帶，當受到按壓時會鼓起並發出電子訊號，或透過使用磁效應和電活性流體來實現；也包含觸控螢幕和指紋感應器等應用。其他 MEMS 感應器包含氣體感應器和應變感應器。

MEMS 振盪器是另一個關鍵裝置架構。MEMS 振盪器包含一種使用類比驅動器產生壓電激發的共振器。MEMS 振盪器會產生範圍從 1 赫茲 (Hz) 到數百兆赫茲 (MHz) 的穩定頻率。

射頻 (RF) 濾波器是另一個基本 MEMS 裝置，且目前是 MEMS 技術的最大市場之一。在此情況下，機械輸出會產生一個小型、低成本且可執行許多濾波功能 (包括寬頻、窄頻、低通和高通濾波) 的濾波器。在 RF 濾波器領域，MEMS 可用來建立表面聲波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 濾波器。

MEMS 裝置的類別如此繁多，可在許多應用和產業中使用，例如汽車、航太、國防與健康照護；如今，MEMS 正在這些領域產生深遠影響。例如，MEMS 感應器用來偵測不同產業中的各種刺激，包括聲學、流體流動、溫度、壓力、半導體製造機器的真空度、慣性效應、磁場、化學物質和輻射。

一些常見的 MEMS 感應器裝置範例包括紅外線偵測器、磁強計、溫度感應器和壓力感應器。MEMS 加速度計、陀螺儀和其他慣性感應器廣泛用於航太產業中，在此，所有項目都會以最快的速度移動，且感應操作需要極高的精準度。

此外，MEMS 可用於小型能源採集應用來為醫療和健康監控穿戴式裝置以及植入式醫療裝置 (IMD) 供電 (在稱為 bioMEMS 的子區域中)，也可為其他小型可攜式電子供電。在可攜式和消費性電子領域中，MEMS 會用作智慧型手機的 RF 濾波器以及觸控螢幕顯示器的觸覺感應器。其他 RF 濾波器 (SAW 或 BAW) 目前用於 Wi-Fi、藍牙以及長期演進技術 (LTE) 應用。

除了較傳統的應用之外，MEMS 還存在於許多專業領域，包括用於自動駕駛車輛、安全氣囊展開和自動化應用的感應器；用於高畫質投影機的微鏡陣列；噴墨印表機頭；微型熱交換器；用於低損耗通訊的光學開關和光子裝置；以及微流體裝置。

MEMS 的設計和製造程序可能涉及許多挑戰，這是由於其較小規模和敏感度使其容易受到任何運動或衝擊的影響，進而可能導致發出錯誤訊號。還有熱補償和存取外補償需要新增至裝置並納入考量。設計 MEMS 的挑戰在於它們較小，且幾何較為複雜，但機械零件的移動要小幾個數量級。因此，需要先進的模擬功能來同時瞭解 MEMS 的結構和操作層面，並確保設計足夠穩健，可以應付製造程序中存在的自然變異性。

MEMS 裝置中的一切都由敏感度和品質因數 (對能量損失的一種測量) 驅動。但是，MEMS 裝置可擁有非常高的頻率需要納入考量：針對慣性感應器，為數十萬赫茲 (KHz) 到 MHz，而針對 RF 濾波器，則位於千兆赫 (GHz) 區域內。濾波器是一種階梯函數，因此預測耦合位移和電壓場的準確度非常重要，且準確度會驅動從 0 到無限的濾波器曲線斜率。濾波器必須有陡峭的回應才能成為有效的濾波器，因此需要非常精確的工具來準確評估曲線的銳度及其對溫度變化的敏感度。

對於許多 MEMS 裝置而言，設計並最佳化機械元件所使用的尺寸和材料，是設計程序中最重要的環節之一。透過查看輸入，並瞭解訊號在裝置中兩點之間的移動方式，以及產生的輸出，可以設計出最佳結構。如果產生的輸出不適合所提供的輸入，則表示設計空間並非最佳。這些方面都可以透過使用先進的模擬軟體來分析和解決，進而設計出高效能的 MEMS 裝置。

模擬工具必須能夠建立複雜的設計，且需要高準確度。Ansys 提供的工具擁有皮米等級的解析度，因此這些模擬工具不僅可以用於 MEMS，也可以用於其較小的奈米技術對應產品：奈米機電系統 (NEMS)。總之，模擬 NEMS 就像縮放設計以符合較小的規模，而皮米解析度可提供此功能。

為了設計及模擬 MEMS 的效能，Ansys 會使用稱為 Discovery 和 Mechanical 的兩種軟體套件。Ansys Discovery 用於預處理，而 Ansys Mechanical 用於模擬本身。Discovery 可用來配置 MEMS 中不同幾何和程序誘發的變化，例如調查蝕刻程序，以及與製造期間可能測量的關鍵尺寸相關。Discovery 套件可以在 Mechanical 中模擬之前對幾乎所有幾何的不同變化進行預處理，這些幾何以及其他任何特徵都可以在晶圓規模模擬中進行縮放。如需更詳細且獨特的幾何變化，可使用各種自動化方法移動代表 Mechanical 中幾何的節點。

將專用預處理和晶圓級模擬方法與皮米解析度搭配使用，不僅有助於加快設計程序，也可確保設計準確，且其擁有提供高效能 MEMS 裝置的所需規格以實現預期應用。若要進一步瞭解 Ansys 的模擬工具可以如何改善 MEMS 裝置的設計程序，請立即聯絡我們的技術團隊。

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