什麼是 MEMS？
本頁將詳細介紹 MEMS，它利用半導體處理技術，最廣泛地應用於我們熟悉的產品中。
內容:
什麼是 MEMS？
MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微機電系統) 是在微尺度上整合機械結構和電子電路的系統。
典型的 MEMS 裝置包括加速計、陀螺傳感器、壓力傳感器、微鏡、噴墨印表機頭、麥克風和喇叭。這些 MEMS 裝置通常使用半導體加工技術製造和組裝，使用晶片上整合微機械結構和電子電路的晶片 (MEMS 晶片)。
MEMS 作為電子元件已廣泛應用於各個領域，包括我們身邊的家電、汽車、物聯網產品、電信及醫療產品，預計未來 MEMS 的應用範圍將持續擴大。
MEMS 和半導體技術
廣泛使用的微機電系統設備與積體電路晶片類似，都是利用半導體技術製造的。因此，它們都是在非常小的範圍內精確製造的。具體來說，就是採用先進的半導體加工方法，如沉積、光刻和蝕刻技術。
半導體製程技術廣泛應用於微機電系統的主要原因是 IC 晶片中使用的半導體矽基 板作為微機電材料具有極佳的機械和電氣特性。同時，IC 技術的進步也促使矽基板微製程技術、整合技術、標準化量產製程的發展，以及高效能製程設備的配置，使這些製程得以實現，進而大幅提升 MEMS 裝置的精密度、功能性、產能及成本效益。
MEMS 技術運用了許多 IC 技術所建立的製造技術與製程，使生產力提高並降低成本，因此 MEMS 在各產業中的使用量增加並廣泛應用。
*有些 MEMS 採用了半導體技術以外的各種加工技術和材料，例如微機械加工、3D 列印和聚合物材料，以及沒有移動部件的 MEMS，例如光波導和 DNA 晶片。
MEMS 和 IC 之間的差異
MEMS 與 IC 在製造方法與尺寸縮小技術上有許多相似之處，然而在功能、應用與運作原理上卻有顯著的差異。MEMS 是與物理運動和測量相關的系統，而 IC 則是執行純電子訊號處理的電路。兩者在現代科技中都扮演著重要的角色，並運用在適合其特定特性的應用上。
IC 由純電子電路組成，利用電晶體、電容和電阻等處理和控制電氣訊號。IC 主要用於邏輯計算、訊號處理、記憶體等電子裝置。
另一方面，MEMS 是執行機械操作和物理測量的系統，由感測器和致動器（驅動單元）組成。MEMS 在應用、外觀、內部結構和尺寸上有很大的差異，視其用途而定。典型的例子包括加速度感測器、壓力感測器、麥克風和喇叭。
如果將專門處理資訊與記憶功能的 IC 比作人腦，那麼結合機械運動與感測器而具備各種物理功能的 MEMS，就可以比作人體的機能與感覺器官。
例如，在飛行過程中，無人機會因風、重力和慣性而不斷改變姿勢。此外，當飛行在人類附近或密閉的室內空間時，無人機必須快速對周遭環境做出反應。如果反應緩慢，無人機可能會撞到物件或掉落。因此，為了讓無人機能穩定飛行，必須即時監控周遭狀況，並不斷調整其飛行。
MEMS 是一種體積非常小的裝置，卻能達到高效能、低耗電的效果，因此對於需要精確快速控制以回應周遭條件的應用來說，MEMS 是不可或缺的。
MEMS如何運作
驅動「小型機器」MEMS 的機構有幾種不同類型。在此我們將介紹三種主要類型。
靜電 MEMS 的機制
靜電 MEMS 是最常見的 MEMS 種類，也是 MEMS 驅動原理最常用的類型之一。
正如其名 「靜電 」所示，靜電 MEMS 運動時使用 「靜電力」。靜電力是指 + 和 - 電流之間的吸引力，舉例來說，用羊毛摩擦氣球時，小紙片就會吸附在氣球上。這也是靜電的力量所造成的。
在 MEMS 中利用靜電的力量時，會使用彼此相對的小電極。當在一個電極上施加正 (+) 電壓，而在另一個電極上施加負 (-) 電壓時，兩個電極會互相吸引並試圖靠近。電極相對的面積和數量越大，輸出和精確度就越高，因此大多數靜電 MEMS 都有多個電極對結構。
舉例來說，靜電 MEMS 加速度計的結構是「砝碼」由彈簧支撐，當施加加速度時，砝碼會因為慣性力而移動。加速度可透過偵測此移動作為電極間距離的變化來量測。
靜電 MEMS 體積小且耗電量極低，因此非常適合需要長時間使用電池的裝置。但是，由於靜電的力量不是很強，所以它們作為「致動器」並不能很好地移動物件。
壓電 MEMS 的機制
壓電 MEMS 是一種利用稱為「壓電效應」的特殊屬性來運作的 MEMS。
壓電效應是一種現象，當力 (壓力或應變) 施加到某種類型的晶體或材料時會產生電力，反之亦然，當施加電壓時材料會變形。壓電材料如鈦酸鋯鉛 (PZT) 和氮化鋁 (AlN) 常被用於壓電 MEMS。
當利用壓電材料受力時會產生電力的機制時，就有可能將其用作「感測器」。舉例來說，在 MEMS 麥克風中，空氣振動 (聲音) 撞擊薄膜而振動，壓電材料會將此作用力轉換成電力，可將聲音作為電子訊號提取出來。
由於材料本身能感應「力」並產生電力，無須從外部供應能量，因此作為感應器非常高效、高性能。此外，其響應速度非常快，因此適用於即時感應。
相反地，當電壓施加在壓電材料上時，材料會稍微拉伸或收縮，這種運動可以用來移動小零件。此特性可用作「致動器」，例如 MEMS 喇叭或 MEMS 鏡子。
壓電材料可直接轉換「力與電」兩種方式，因此壓電 MEMS 結構簡單，具有極佳的微型化特性，卻能產生比靜電 MEMS 更強大的力。
電磁 MEMS 的機制
電磁式 MEMS 整合了小型線圈與磁性材料，利用電流通過線圈所產生的電磁力來驅動 MEMS。
電磁式 MEMS 的優點在於可藉由磁力與電流的結合來增加功率，因此適用於需要較高功率輸出的應用。例如，電磁式微泵即使體積小，也能提供一定的堅實驅動力，因此被用於需要移動微量液體或氣體的小型醫療裝置和化學分析儀。
然而，由於電磁式 MEMS 需要磁鐵與線圈的組裝，因此組裝過程較為複雜，而且尺寸通常也較靜電式或壓電式 MEMS 大。它們也會消耗較多能源，因此可能不適合需要電池長時間運作的小型應用。
這些類型的 MEMS 各有不同的運作機制和優勢領域。依據不同的應用和目的來適當地使用這些 MEMS，我們周遭的許多裝置就會變得更方便、更高效能。
