1.4 MEMS技術的應用
MEMS技術從功能上來劃分可分為MEMS傳感器、MEMS執行器、射頻MEMS（radio frequency MEMS, RF MEMS）器件、生物MEMS（bio MEMS）、微光機電系統（micro optical electro mechanical systems, MOEMS）等。
1.4.1 MEMS傳感器的應用
MEMS傳感器也稱微型傳感器，是微型集成化器件，是應用最廣泛的MEMS器件。MEMS傳感器一般是把信號處理電路和敏感單元集成制作在一個芯片上。這樣傳感器不僅能夠感知被測參數，將其轉換成方便度量的信號；而且能對所得到的信號進行分析、處理和識別、判斷，因此形象地被稱為智能傳感器。按被測量來劃分，通常可分為以下7類：
（1）壓力傳感器：絕對壓力的傳感器和計量壓力的傳感器。
（2）熱學傳感器：溫度和熱量傳感器。
（3）力學傳感器：力、壓強、速度和加速度傳感器。
（4）化學傳感器：化學濃度、化學成分和反應率傳感器。
（5）磁學傳感器：磁場強度、磁通密度和磁化強度傳感器。
（6）輻射傳感器：電磁波強度傳感器。
（7）電學傳感器：電壓、電流和電荷傳感器。
MEMS型壓力傳感器可分為壓阻式、電容式和壓電式。壓阻式傳感器利用壓阻效應來測量壓力大小。所謂壓阻效應是指材料（特別是半導體材料）受到應力作用時，電阻率發生明顯變化的現象。
MEMS加速度計的類型很多，按信號檢測方式可以分為電容式、壓阻式和隧道電流式，電容式加速度計由于具有體積小、工藝簡單、一致性好、溫度漂移小等諸多優點，從而在眾多領域得到了廣泛應用。MEMS加速度計可用于測量彈藥初射角和軌跡，進行智能化引信控制，縮小炸點散布，大幅度提高壓制性兵器的武器效能；MEMS加速度計還可以用在彈道修正引信、侵徹自適應引信、常規彈道測試、導航定位系統中，進行彈道修正、提高射程，甚至制造出80～120km射程的制導火箭彈。高量程的加速度傳感器在軍事領域當中具有非常重要的應用價值，最典型的用途是應用在侵徹硬目標的“鉆地”和“穿甲”彈的引信系統。日常見到的陀螺是孩子們的玩具，高速自轉的陀螺具有保持其對稱方向基本不變的特性，常用做航空和航天飛行器中的定向裝置，這也是慣性MEMS的用途之一。MEMS陀螺是最新發展起來的一種微型陀螺，它是用來測量角速度的微型傳感器。從結構來看，MEMS陀螺有繞行梁框架式、梳狀音叉式、振動輪式和振動環式等；從驅動方式看，有靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動等；從檢測方式看，有電容檢測、壓阻檢測、壓電檢測、光學檢測等。我們熟知管樂、弦樂、鐘聲、鼓聲都是利用諧振特性工作的，MEMS諧振式傳感器是一種高精度的傳感器，這種傳感器輸出的是頻率信號，這種信號可作為準數字信號，可以不必進行A/D變換就進入數字電路系統，而且它沒有壓阻式傳感器易受溫度影響大的缺點，長距離傳輸也不易產生失真，所以傳感器性能十分穩定，是當前研究的熱點之一。除了上面介紹的幾種典型MEMS傳感器外，還有許許多多的MEMS傳感器，如用于微觀判斷的MEMS觸覺傳感器（觸覺包括接近覺、接觸覺、壓覺、力覺、滑覺等）、MEMS生物傳感器、MEMS圖像傳感器、用于氣象分析的微型氣相色譜儀、可分析氣體的種類和濃度的MEMS氣敏傳感器（電子鼻）、測量濕度的微型濕敏傳感器、用于測量各種氣體流量的微型氣體流量傳感器等。
1.4.2 射頻MEMS器件的應用
射頻MEMS器件表現出的性能指標，遠遠超過了傳統的PIN管和GaAs器件所能達到的指標。RF MEMS開關、可變電容、電感，適用于DC-120GHz。MEMS微波傳輸線、高口值諧振器、濾波器、天線，適用于12～200GHz。利用聲波諧振原理制成的薄膜體聲波諧振器和濾波器，頻率可達3GHz，Q值超過2000。利用機械懸臂梁的諧振原理制造的微機械諧振器和濾波器，頻率在幾百兆赫。MEMS開關通過在微波傳輸線上的可動結構實現微波信號的通斷，可分為并聯和串聯兩類。并聯開關在幾十飛法（fF）和幾個皮法（pF）之間跳變實現微波信號的通斷，并聯開關只適于高頻工作，在X波段以上隔離度才能滿足要求，具有使用價值。串聯開關通過中間懸浮的微帶線的運動實現微波傳輸線的通斷。串聯開關低頻端的隔離度較高。目前提高隔離度比較好的方案是采用BST[BaxSr（1-x）TiO3，鈦酸鍶鋇，BST]，比采用氮化硅介質提高15dB以上。RF MEMS器件開關具有單刀單擲、單刀多擲等多種結構，可方便地制造成陣列。
RF MEMS器件可變電容通過靜電力調節電容間隙或電容面積，調節系數能夠達到20∶1以上，未加電壓時的電容值可以從VHF頻段時的幾pF到X波段的0.1pF變化。RF MEMS器件可變電容的Q值能夠達到20以上。和傳統的pn結可變電容相比，在調節系數和Q值方面具有明顯優勢。同時MEMS可變電容的工作頻段很寬，理論上的截止頻率超過1000GHz。RF MEMS高Q值無源器件在單片微波集成電路設計中，高Q值的電感、電容、傳輸線是提高電路性能的重要因素。采用MEMS工藝可以降低器件的襯底損耗，提高Q值。對于電容和傳輸線來說，主要手段是將器件制造在介質薄膜上。采用RF MEMS器件技術可以制造高Q值諧振器，其優勢在于可以實現單片集成。RF MEMS器件的集成，一種是和微電子電路集成，形成功能完備的子系統單元，如微波開關和升壓電路，微波功放等可集成在一起作為手機的接收模塊；另一種是各種RF MEMS器件和微波傳輸線集成所形成的基本功能單元。
數字移相器在軍用相控陣雷達上應用時MEMS數字移相器的工作頻段可以從幾GHz直到數百GHz，主要集中在X波段和Ku波段。RF MEMS濾波器采用高Q值的MEMS電容、電感實現的單片濾波器，由于電容、電感的自振頻率和Q值的提高，插入損耗和工作帶寬有較大改善。采用MEMS電調可變電容，還能實現電調濾波器。RF MEMS壓控振蕩器采用MEMS電調可變電容可以實現壓控振蕩器（voltage-controlled oscillator, VCO），由于MEMS電容、電感可以實現較高的Q值，因此相應的VCO的相位噪聲較低。變波束天線是將微波在傳輸線和空間之間轉換的設備。采用RF-MEMS開關改變天線的頻率和波束特性，可使MEMS技術直接在天線中得到應用。目前取得的成果主要體現在兩個方面：① 獲得簡化結構的相控陣天線；② 獲得可變頻率、波束特性的天線，用一個天線體現多個天線的功能。
1.4.3 生物MEMS的應用
生物MEMS是指MEMS技術在生物學領域中應用的微制造技術。由于采用了微機械制造技術，Bio MEMS具有微米量級的特征尺寸，可以實現器件和系統的微型化，使生物醫學的診斷和治療可以快速、自動化、高通量、較小損傷地完成。Bio MEMS主要包括在生物體外進行生物醫學診斷的微系統和在生物體內進行生物醫學治療的微系統。生物體外Bio MEMS研究是在生物體外進行生物醫學診斷和治療的微系統，研究主要包括生物芯片、生物傳感器及相關微流體系統，是一個較廣的研究領域，其中最具代表性的是生物芯片技術。
微型生物芯片是利用微細加工工藝，在厘米見方的硅片或玻璃等材料上集成樣品預處理器、微反應器、微分離管道、微檢測器等微型生物化學功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學分析系統。與傳統的分析儀器相比，微型生物化學分析系統除了體積小以外，還具有分析時間短、樣品消耗少、能耗低、效率高等優點，可廣泛用于臨床、環境監測、工業實時控制。
芯片上的生物化學分析系統還使分析的并行處理成為可能，即同時分析數十種甚至上百種的樣品，這將大大縮短基因測序過程，因而將成為人類基因組計劃中重要的分析手段。生物體內微系統是指在生物體內進行生物醫學診斷和治療的微系統，研究內容主要包括植入治療微系統、微型給藥系統、精密外科工具、植入微器件、微型人工器官、微型成像器件等。這些微系統中融入了關鍵的MEMS技術，如微傳感器、微驅動器、微泵、微閥、微針等，是一個極具挑戰性的研究方向。利用MEMS制作的智能型外科器械可以減少手術風險和時間，縮短病人康復時間，降低治療的費用。
Verimetra公司正在利用MEMS把現有手術器械轉變成智能型手術器械，可用于多種場合，包括小手術、腫瘤、神經、牙科和胎兒心臟手術等。藥物注入是生物醫學MEMS另一個可能有巨幅增長潛力的領域，Microchipd公司正在開發的一種藥物注入系統利用了硅片或聚合物微芯片，其上帶有成千上萬個微型儲液囊，里面充滿藥物、試劑及其他藥品。這些微芯片能夠向人體注入藥物，使止痛劑、荷爾蒙以及類固醇之類的注入方式發生革命性的變化。類似這樣的生物醫學新進展還將催生出新型器械，如便攜式掌上型透析機等。將來人們可以在身上配備測量人體功能的MEMS傳感器和驅動器，保證個人處于最佳健康狀態，幫助保持積極生活方式，并提供自動的預防保健。Bio MEMS器件及系統現已成為MEMS技術應用市場中發展最快的領域，特別是在藥物的發現和篩選、疾病診斷、生物信息遙測和基因檢測分析等方面，Bio MEMS技術的批量生產能力更極大地降低了生物醫學診斷和治療的成本。
醫學工業對于更小、更便宜的裝置和測量裝置的需求將保持增長的勢頭，這將建立一個更大的MEMS市場，MEMS產品在未來的醫學市場將擔任一個重要的角色。
1.4.4 光學MEMS的應用
在MEMS上再加上一個光信號，就是微光機電系統或者MOEMS，中文含義是微光學電子機械系統。MOEMS是一個光、機、電一體化的集成系統，復雜程度又提高了一級，MOEMS可以對光束進行發送、接收和精確控制光束。信息技術、光纖通信技術的發展，使MOEMS成為當前研究的熱點，其應用遍及光通信、數據存儲、自適應光學及光學傳感等多個方面。利用MEMS技術制作的微型光器件具有插入損耗小，光路間相互串擾極低，對光的波長和偏振不敏感等特點，并且通常采用硅為主要材料，因此器件的光學、機械、電氣性能優良。MOEMS能把各種MEMS結構與微光學器件、半導體激光器、光波導器件、光電檢測器件等完整地集成在一起，正在成為一個重要的技術發展方向。
由于MOEMS具有重量輕、體積小、集成化、成本低等優點，因此它正在成為傳統設備的更新換代產品，因而也具有廣闊的應用市場。主要的應用方向包括光通信中的光開關、光衰減器、光濾波器、分光計和光柵、光顯示、數據存儲、自適應光學和光學傳感中的加速度計、壓力傳感器等多個方面。MOEMS光開關具有成本低、體積小、壽命長、易集成、批量加工等優點，而且傳輸光的信號與協議無關，可應用于全光通信網的光交換、通道備份和保護等系統中，可用于軍事保密通信和激光武器系統中激光束控制單元。
1999年初美國Sandia國家實驗室研制成功的一種微保險系統，被稱為“微守護者”，它是一種新型彈道子系統，用于核彈的安全引爆，可以大大改進核武器的保險系統。這個MOEMS是Sandia正在發展的先進光驅動微點火系統的一部分，其設計思想是光通過光纖進入一封閉空腔并在里面反射，此時不驅動武器，只有檢測到特定的飛行加速度環境信息時（系統飛到目的地時），密封室內活動反射鏡才把光能量反射到光電池（光電池提供啟動微點火組件工作所需要的能量），只有在武器進入正確的解除保護環境后才能發生爆炸。數字微鏡元件（digital mirror device, DMD）是由美國Tl公司開發的一種用于數字顯示的光MEMS芯片。在靜電力驅動下，可動驅動結構通過扭臂使反射鏡面旋轉。每個微反射鏡都能將光線從兩個方向反射出去。只要結合DMD以及適當光源和投影光學系統，反射鏡就會把入射光反射進入或是離開投影鏡頭的透光孔。
MEMS微型F-P濾波器同半導體激光器集成，特別是同垂直腔面發射激光器集成，可以為波分復用技術提供多波長、可調諧發射光源。