MEMS

特点

　　MEMS系统器和器件的尺寸十分微小，通常在微米量级，微小的尺寸不仅使得MEMS能够工作在一些常规机电系统无法介入的微小空间场合，而且意味着系统具有微小的质量和消耗，微小的尺寸通常还为MEMS器件带来更高的灵敏度和更好的动态特性。80[%]以上的MEMS采用硅微工艺进行制作，使其具有大批量生产模式，制造成本因而得以大大降低。在单一芯片内实现机电集成也是MEMS独有的特点。单片集成系统能够避免杂合系统中有各种连接所带来的电路寄生效应，因此可达到更高的性能并更加可靠，单片集成有利于节约成本。组件装配特别困难，目前许多MEMS都是设计成不需要装配或者具有自装配功能的系统。MEMS构件的加工误差小，使用的材料也较为单一，三维加工能力明显不足。

应用前景

　　MEMS技术的发展已经开辟了一个全新的技术领域和产业，基于MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18[%]，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

发展史

　　MEMS所带来的轮商业化浪潮在20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

　　第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。

　　第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

　　目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。其它应用正推动第四轮商业化，包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的'片上实验室'生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。

相关技术

　　1、微系统设计技术 主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

　　2 微细加工技术 主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X 射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA 加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

　　3 微型机械组装和封装技术 主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术。

　　4 微系统的表征和测试技术 主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

　　目前，常用的制作MEMS 器件的技术主要有三种。

　　种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。

　　第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS 器件。

　　第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。

　　上述第二种方法与传统IC 工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS 的主流技术。LIGA 技术可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制做深宽比大的精细结构(加工深度可以达到几百微米)，因此也是一种比较重要的MEMS 加工技术。LIGA 技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，人们已利用该技术开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。种加工方法可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。下面主要介绍 LIGA 和硅MEMS 技术。

　　LIGA 技术 ：LIGA 技术是将深度X 射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术，它是进行非硅材料三维立体微细加工的工艺。 LIGA 技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X 射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。

　　LIGA 技术为MEMS 技术提供了一种新的加工手段。利用LIGA 技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统，而用它制造的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点，这些都是其它微加工工艺很难达到的。

　　硅基MEMS 技术：以硅为基础的微机械加工工艺也分为多种，传统上往往将其归纳为两大类，即体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。

　　在以硅为基础的MEMS 加工技术中，最关键的加工工艺主要包括深宽比大的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。各向异性腐蚀技术是体硅微机械加工的关键技术。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液主要有EPW 和KOH 等，EPW 和KOH 对浓硼掺杂硅的腐蚀速率很慢，因此可以利用各向异性腐蚀和浓度选择腐蚀的特点将硅片加工成所需要的微机械结构。利用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度，具有较高的机械灵敏度，但该方法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点，采用干法等离子体刻蚀技术已经成为微机械加工技术的主流

　　。随着集成电路工艺的发展，干法刻蚀深宽比大的硅槽已不再是难题。例如采用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等都可以得到比较理想的深宽比大的硅槽。 键合技术是指不利用任何粘合剂，只是通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密地结合起来的方法。键合技术虽然不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其他手段结合使用，既可以对微结构进行支撑和保护，又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。

　　在MEMS 工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术，最近又发展了多种新的键合技术，如硅化物键合、有机物键合等。 表面牺牲层技术是表面微机械技术的主要工艺，其基本思路为：首先在衬底上淀积牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形，然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形，再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉，这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。

发展趋势

　　1 研究方向多样化和纵深化 MEMS 技术的研究日益多样化，MEMS 技术涉及军事、民用等各个领域。从研究深度上来说，MEMS 的发展规律是产生比传统机电系统更的产品。例如微光机电系统（MOEMS）就是微机电系统与光学技术相结合，有希望解决全光交换机的光通信瓶颈。目前开展的MOEMS 项目主要有：可调谐光器件—— 利用MOEMS 技术可制造出可动腔镜，获得很大的调谐范围，与半导体激光器集成成为可调谐激光源；光可变衰减器和光调制器——MOEMS 通过微档板插入光纤间隙的深度控制两光纤的耦合程度，实现可变光衰减；光开关和光开关阵列 ——MOEMS 将机构结构、微触动器、微光学元件集成在同一衬底上，具有操纵方便、插入损耗小、串音干扰低等特点。MOEMS 的目标是制成全光功能模块和系统，如全光终端机、全光交换机等。

　　2 加工工艺多样化 加工工艺有传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合相结合的加工工艺、SCREAM工艺、LIGA 加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS 工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等，具体的加工手段更是多种多样。

　　3 系统的进一步集成化和多功能化 集成化、智能化和多功能化的微系统将有的性能，在军事、医学和生物研究、核电等领域有着诱人的应用前景。 4.4MEMS 器件芯片制造与封装统一考虑 MEMS 器件与集成电路芯片的主要不同在于：MEMS 器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以，MEMS 器件芯片制造与封装应统一考虑。

　　5 普通商用低性能MEMS 器件与高性能特殊用途MEMS 器件并存 以加速计为例，既有大量的只要求精度为0.5g 以上的，可广泛运用于汽车安全气囊等具有很高经济价值的加速度计，也有要求精度为10-8 的，可应用于航空、航天等高科技领域的加速度计。