微电子机械系统简介

微电子机械系统

陈迪

微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System）简称MEMS，是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理控制电路、接口、电源等于一体的机械装置。它将自然界各种物理量，如声、光、压力、加速度、温度以及生物、化学物质的浓度信息转化为电信号，并将电信号送入微处理器得到指令，指令被随即发送到微执行器上，对自然界的变化做出相应反应。MEMS的特点是体积小、重量轻、能耗低、可靠性高和可批量制造。

微电子机械系统技术

微电子机械系统技术在欧洲也称为微系统技术（Microsystem Technology，MST），是近年来飞速发展的一门高新技术，它综合集成了微电子工艺和其他微加工工艺，加工制造各种微型传感器和微型执行器，并将其综合集成。微电子机械系统技术包含了材料、设计与模拟、加工制造、封装、测试五个方面。

MEMS的材料包括导体、半导体和绝缘材料几类。根据不同的使用环境，MEMS材料要求耐高温、耐低温、耐腐蚀和耐辐射。在微传感器和微执行器的制造中，MEMS需要使用具有各种功能的材料，如压电材料、压阻材料、磁性材料和形状记忆合金等。

MEMS设计与模拟技术包括了专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）设计、机械微结构设计、加工工艺流程设计、掩模板设计，以及微传感器和微执行器结构参数优化与性能模拟等。

MEMS加工技术主要分为硅微加工技术和非硅微加工技术两类。MEMS硅微加工技术应用了微电子常规工艺，包括氧化、薄膜制备、光刻、刻蚀、电镀、离子注入等。MEMS技术与微电子技术的区别是，前者可以制造悬空或可活动的微结构，以及具有高深宽比的三维立体微结构，它主要采用硅表面工艺和体硅工艺技术（包括牺牲层工艺，湿法、干法各向同性和各向异性刻蚀工艺以及键合工艺等）来实现。

非硅MEMS微加工技术包括LIGA、激光、电火花等微加工技术。LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德语单词的缩写，该技术包含了同步辐射X射线光刻、微电铸和微复制三个工艺步骤，能制备高深宽比聚合物和金属微结构，并能采用微复制工艺进行批量生产。由于同步辐射光源和X光掩模板成本较高，所以近年来不采用同步辐射光源的准LIGA技术发展迅速，如采用SU8紫外厚光刻胶的UV-LIGA技术，采用激光微加工的Laser-LIGA技术和采用硅深刻蚀工艺的DEM技术等。由日本开发的精密机械微加工技术由于不能批量生产而最终未能产业化。

MEMS加工制造需要较大的设备投入，目前我国已在部分大学和研究所设立了MEMS 微加工基地，为我国MEMS的研究和产业化提供加工服务。我国主要的MEMS加工基地有：中科院上海微系统所，设备齐全、管理完善，可提供各种体硅工艺代工及MEMS封测服务；北京大学微电子所，在国内最早提供MEMS代工服务，尤其擅长表面微机械的加工制造；中电集团十三所，设备齐全，具有多种器件结构一站式加工经验；中电集团二十四所，具有多年模拟IC生产和MEMS工艺开发经验，擅长MEMS与电路的集成制作；中电集团五十五所，擅长制作射频微电子机械系统（RF MEMS）和表面波器件；上海交通大学微纳科技研究院，主要进行非硅MEMS工艺的研发。

MEMS封装技术的目的是建立微传感器和微执行器与专用集成电路的连接，并减少外部环境对微传感器和微执行器工作的影响。MEMS封装技术包括倒焊装、重布线、密封封装和真空封装等。

MEMS测试技术主要是对微传感器和微执行器的性能，如微结构力学性能、MEMS器件的光学性能、电学性能、以及量程、分辨率、响应频率等进行测试。可靠性测试是MEMS 产品进入市场的前提，其内容包括了高低温、使用环境、振动、疲劳、使用寿命等方面的测试。

微电子机械系统应用

MEMS用于取代现有仪器或系统中的元器件，最终发展方向是取代现有大系统的集成微光机电系统（Micro Optical Electro Mechanical System，MOEMS）。MEMS目前主要应用在微机械元器件制造、信息、汽车工业、生物医学工程、航空航天、国防军事等多个领域。

微机械元器件制造领域

MEMS技术可加工制造各种微机械元器件，如微马达、微镊子、微齿轮、微开关、微电感、微透镜阵列、微射流器件等，它可使现有仪器设备体积更小、重量更轻、能耗更低、可靠性更高。

信息领域

信息领域中，许多器件如硬盘、光盘读写头、喷墨打印头，光开关、光衰减器、光滤波器、射频开关、射频移相器、数字微镜器件（digital mirror device，DMD）、蜂窝电话元器件等都已采用MEMS技术制造。

汽车工业

汽车上用于保护驾驶员安全的安全气囊是最成熟的MEMS系统，它由微加速度传感器、微阀门、气体发生器和气囊组成。当汽车发生碰撞时，微加速度传感器如检测到一个大于30g的负加速度，就会打开微阀门，使两种化学物质发生反应生成气体充入气囊，从而保护驾驶员和乘客的安全。此外，汽车上的压力传感器、废气传感器、碰撞传感器、电喷控制、空气流量传感器和陀螺等也应用了MEMS技术。

生物医学工程

MEMS技术还可用于制造药物输出系统，如微泵、微阀、药物喷雾器等。同时，血压传感器、血糖分析传感器、生物芯片、心脏起搏器和植入式微系统等均在研发中。

航空航天领域

在航空航天领域，MEMS技术在微陀螺、微加速度计、用于姿态控制的微推进系统、微机械红外非制冷成像系统、微飞行器和微（纳、皮）卫星等仪器中也有所应用。

国防军事领域

MEMS技术在国防军事领域也得到了广泛的应用，用于构建化学武器识别系统、武器安全引爆系统、敌我识别系统、用于地雷探索的磁强传感器，智能炮弹、导弹和微型侦察机等。

微电子机械系统的市场

市场上，常见的微电子机械系统的产品有喷墨打印头、微光机电系统、压力传感器、陀螺、微流体、加速度计、射频微电子机械系统和硅麦克风等，它们的年增长率基本达到两位数。其中，喷墨打印头和数字微镜器件是目前采用MEMS技术制造的、销售额最高的器件；射频微电子机械系统和用于给药的微流体芯片则是年增长率最快的两个产品。200７年，MEMS器件的产值为７１亿美元，MEMS系统的产值为５００亿美元，预计到201２年，MEMS器件的产值将达１５５亿美元，MEMS系统的产值将达１０３０亿美元。

随着纳米技术的迅猛发展，微电子机械系统也将向着纳电子机械系统（Nano Electro