MEMS技术发展概述

MEMS技术的研究现状与进展
摘要：介绍了MEMS技术在国内外的发展状况，MEMS的技术特点，主要加工工艺以及加工材料，并对MEMS目前的应用状况作出了分类总结。

关键词：MEMS ；加工工艺；应用状况
The research and development of MEMS technology Abstract: This paper introduces the MEMS development status at home and abroad, the characteristics of MEMS technology, the main processing technology and processing materials, and summarizes the classification of current MEMS applications.
Key Words：MEMS ；Processing technology；Processing status
微小型化始终是当代科学技术发展的重要方向。

微电子技术的发展,不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新,而且在许多领域引发了一场微小型化的革命。

以加工微米/纳米机构和系统为目的的微米/纳米技术在此背景下应运而生。

一方面,人们利用物理、化学方法将原子和分子组装起来,形成有一定功能的微米/纳米结构;另一方面,人们利用精细加工手段加工出微米/纳米结构。

前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生；后者在小型机械制造领域开始了一场革命,导致了MEMS技术的出现[1]。

微机电系统（Micro Electro-mechanical Systems，MEMS）一般是指1μm～100μm的微米系统，或者说轮廓尺寸在毫米级，组成元件尺寸在微米数量级的系统。

随着产品尺寸的微小化，MEMS的应用范围日益扩大，包括无线传感网络、智能型药丸、芯片上实验室(Chip-On-Lab)等，并广泛应用于汽车、生物医学、通信以及消费类产品[2]。

德国Weissler把MEMS称为系统工业发展所需的“维生素”[3]。

MEMS系统主要包括微型传感器、微执行器和相应的处理电路三部分。

作为输入信号的自然界各种信息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理单元后(包括A/D、D/A转换),再通过微执行器对外部世界发生作用。

下图给出了MEMS系统与外界相互作用的示意图[4]。

图1 MEMS系统与外界相互作用图
1MEMS的国内外研究概况及展望
MEMS的开展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。

1962年，第一个硅微压力传感器问世，其后开发出尺寸为50~500μm的齿轮、气动涡轮、联接件等微机构[5]。

1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电机，1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并逐渐成为一个世界性的学术用语。

1988年，美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”的口号，MEMS技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应用前景，受到了世界各国的高度重视，相继投入了大量的人力、物力，开展了对MEMS 器件的研究。

1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端[6]。

如今，MEMS技术广泛应用于电子行业，如笔记本电脑，MP3播放器，遥控器、便携导航设备等。

国内MEMS的研究始于20世纪80年代末，在“八五”、“九五”其间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。

随后，清华大学、北京大学等十几所高校和研究所于20世纪90年代开始了微机电系统的研究；国家自然科学基金委的立项起步于1989年，中国科学院于1991年确立重点研究项目；自1993年底起，国防科工委投入数千万元用于“九五”器件微型机械的研究工作，并且建立了两个微加工基地和一个项目研究中心。

此后，国家基金委又确立了若干微机电系统的基础研究项目，国家科技部组织了集成微光机电系统重大基础研究项目。

2009年以来，国家加速启动“核高基”（核心电子器件、高端通用芯片和基础软件领域）重大科技专项，旨在集中优势资源，持续创新，力争在上述领域取得突破，掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权。

2MEMS的技术特点
MEMS是一种集成系统，典型的MEMS是将信息获取传感器、信息处理电路及执行机构等功能器件集成在一起，以提高系统的效率和可靠性。

MEMS被认为是微电子技术的又一次革命，它具有一下一些特点[1][7]：
（1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

（2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

（3）尺度效应现象：一般的MEMS器件还没有小到进入物理学中的微观范畴，因此进店物理学仍然成立。

但由于尺寸说笑带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对为动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。

（4）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。

（5）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。

微传感器、微执行器和微电子器件的集成科制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

（6）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

3 MEMS的主要加工工艺
MEMS的飞速发展是与相关的制造加工技术的进展分不开的。

微电子集成工艺是其基础。

微细加工技术是在硅微加工方法的基础上发展起来的，由于微电子工艺是平面工艺，在加工MEMS三维结构方面有一定的难度，为了实现高深宽比的三维微细加工，通过多学科的交叉渗透，已研究开发出了象LIGA、激光加工等方法。

此外，要构成MEMS的各种特殊结构，必须用一系列的特殊的工艺技术，主要包括：体微加工技术；表面微加工技术；高深宽比微加工技术；组装与键合技术以及超微精密加工技术等。

3.1体微加工技术
体微加工技术（Bulk Micromachining）指按照设计图形从基底中有选择地移走不需要的部分而制作出指定的微结构。

材料移走的关键技术是蚀刻技术，主
要包括蚀刻和停止蚀刻两项关键技术。

蚀刻又分为采用液体蚀刻剂的湿法蚀刻和采用气体蚀刻剂的干法蚀刻。

湿法蚀刻又分为各向同性蚀刻和各向异性蚀刻。

各向同性蚀刻法在硅片的所有方向均匀蚀刻，沿晶界面形成蚀刻边缘。

各向异性蚀刻法蚀刻速度与单晶硅的晶向有密切关系，蚀刻边界是平滑变化的。

其优点是工序好、纵横比高、易实现、价格低，但是形状缺乏灵活性。

体微加工技术是最早在生产中得到应用的技术，大多数硅压力传感器的生产均使用了该技术。

3.2键合技术
键合（bonding）技术是不同液态的粘结剂将两块相似或不相似的材料键合在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态的方法，它相当于传统机械加工中的焊接、粘接或紧固作用。

目前广泛应用的键合技术分为硅熔融键合和静电键合两种。

硅熔融键合是在硅片与硅片之间直接或通过一层薄膜(如SiO2)进行原子键合。

静电键合可将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起,而不能用粘合剂。

键合界面通常气密性和稳定性都好。

3.3表面微加工技术
表面微加工技术（Surface Micromachining）一般是采用光刻等手段，使得硅片等表面淀积或生长而成的多层薄膜分别具有一定的图形，然后去除某些不需要的薄膜层，从而形成三维结构。

由于主要是对表面的一些薄膜进行加工，而且形状控制主要采用平面二维方法，因此被称为表面微加工技术。

它与IC有较好的兼容。

最终被去掉的薄膜部分被称为牺牲层（Sacrificial Layer），仅保留其余薄膜所形成的结构过程有时也称为结构释放。

表面微加工的工艺过程如图2所示。

图2 面微加工的工艺过程
3.4 LIGA技术
20世纪80年代，德国Karlsrube原子能研究所创立了光刻电铸注塑技术（LIGA）。

初期开发时用于制造微喷嘴。

LIGA技术是由深度同步辐射X射线光刻、点铸成型、塑铸成型等技术组合而成的综合性技术[8]。

该技术可以制作各种微器件和微装置，材料可以是金属、陶瓷和玻璃等，可以制作最大高度为1000μm、曹宽0.15μm以上、高度比大于200的立体微结构，刻出的图形侧壁陡峭，表面光滑。

LIGA技术的工艺过程如图3所示。

图3 LIGA技术的工艺过程
3.5 准LIGA技术
为避免使用昂贵的同步辐射光，可用近紫外光作为光刻时的替代光源，用一种类似于LIGA技术的工艺，也能加工有较大高、宽比的三维微结构。

其中有紫外线（UV）LIGA、深层离子体刻蚀、激光（Laser）LIGA等。

准LIGA技术的工艺过程：1）在硅衬底上用溅射法形成一层钨化钛薄膜。

钨化钛附照性好，而且还可以作为光刻时的阻挡层。

经过清洗处理，再蒸镀上一层200nm左右的金，作为预镀层。

2）多次利用旋涂方法，得到约30μm的正性抗蚀层。

3）掩模与抗蚀层密切接触曝光，可得到陡峭的轮廓。

4）光源一般用高压汞灯。

5）对光刻后的微结构进行电镀，可得到三维金属微结构。

可用湿法蚀刻法或反应性离子蚀刻除去预镀层的金和钨化钛。

MEMS的加工形式多种多样，除了以上介绍的几种，还有SCREAM工艺、MAMOS（金属空气MOSFET）工艺、深槽刻蚀与键合工艺相结合、厚胶与电镀相结合、体硅工艺与表面牺牲层相结合等。

4 MEMS的材料
MEMS所用的材料按性质可分为功能材料和结构材料。

前者主要指压电材料、光敏材料等具有一定功能的材料；后者是指具有一定的机械强度，用于构造微机械器件结构基体的材料。

4.1结构材料
MEMS发源于微电子技术，所以硅是其主要结构材料。

它不仅具有良好的机械及电性能，而且加工工艺和手段也较完善，是一种很好的结构材料。

根据微观晶体组成不同又可分为单晶硅和多晶硅。

单晶硅断裂强度和硬度比不锈钢的高，而弹性模量与不锈钢相近，密度却仅为不锈钢的1/3。

单晶硅的机械品质因数高，滞后和蠕变极小，因而机械稳定性极好。

多晶硅是由许多排列和取向无序的单晶颗粒构成的，它一般通过薄膜工艺制作在衬底上，机械性能与单晶硅相近，但性能受工艺影响较大。

硅的导热性较好，硅材料还有多种传感特性。

因此，硅是一种十分优良的MEMS材料。

和一般的金属材料相比，硅也有一定的特殊性：①单晶硅的机械特性是各向异性的；②呈现一定的脆性,容易以断裂方式失效；③机械特性受工艺影响大，例如，弹性模量会随着掺杂浓度的增加而增加。

在加工中，应该注意减少硅片表面、边缘和体内缺陷的形成，尽量少用切、磨、抛光等机械加工；在高温工艺、多重薄膜的淀积中要尽量减少内应力；采取一定的表面钝化、保护措施等[9]。

除了硅材料以外，其它半导体材料、石英（晶态SiO2）、玻璃和陶瓷等也可以作为衬底材料，而SiO2、SiN和金属等薄膜也可以构成微机械结构。

4.2功能材料
这是一类有能量变换能力,可以实现敏感和致动(或执行)功能的材料。

它包括各种压电材料、光敏材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料、电流变体、气敏和生物敏等多种材料。

5 MEMS的主要应用
MEMS技术的研究和应用主要集中在三个方向：微型传感器，微型执行器和微型系统。

经过数十年的发展，已取得了很大的进展。

将微型传感器、微型执行器及相关的信号处理和控制电路集成在一起，能完成一定功能的微型系统是MEMS研究的最终目标。

微型系统的主要发展方向是微型光机电系统、微型生物芯片、微型机器人和微型飞行器和微动力系统。

5.1微型传感器
微型传感器是最重要和用途最广的M E M S器件，它正朝着集成化、微型化和智能化的方向发展。

目前开发的微型传感器可以测量各种物理量、化学量和生物量，例如位移、速度、加速度、声、光、电、磁、热、p H值、离子浓度等。

目前最成功的推向市场的是压力传感器和加速度传感器。

5.2微型执行器
微型执行器用于提供各种运动和控制,是MEMS中的关键部分。

目前研究的微型执行器主要有微型马达、微型镊子、微型泵、微型阀及微型光学器件、打印机喷头和硬盘磁头等。

5.3微机械射频器件(RF-MEMS)
是当前MEMS研究的另一热点,包括微型电感、可调电容、微波导、微传输线、微型天线、谐振器、滤波器、移相器等。

使用MEMS技术可以实现各个通讯部件的微型化和集成化，可以提高信号的处理速度和缩小整个个人移动系统的体积。

由于移动通信的巨大市场潜力，RF-MEMS器件具有无限商机。

5.4微生物芯片(Biochip)
微生物芯片（Biochip）技术是最近十年内发展起来的、结合生物技术和微细加工技术的一门新技术。

它利用MEMS工艺技术在硅片上制作出了功能完备、价格低廉、携带方便的生物芯片，将样品处理、检测、分析及结果输出等功能集成为一体，成为一个微型的片上生物实验室，可以完成如体液成分分析、DNA 成分分析等诸多功能。

科学家认为，微处理器使我们的经济发生了根本改变，给人类带来了巨大的财富、改变了我们的生活方式。

然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大。

生物芯片的发展可能是硅片的第二次革命，将会对电子工业产生巨大的影响。

5.5微光机电系统(MOEMS)
最近几年，在MEMS技术中发展起来了一支极具活力的新技术系统，这就是微光机电系统。

它是微光学、微电子和微机械相结合而产生的一种新型的微光学系统，是MEMS技术的另一个重要的研究方向。

目前已研制的元器件包括微镜阵列、微光斩波器、微光开关、微光扫描器等。

基于MEMS的光开关，由于其与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等均无关，而且在损耗、扩展性上都要优于其它类型，与未来光网络发展所要求的透明性和可扩展性等趋势相符合，有可能成为核心光交换器件中的主流。

6 结语
MEMS技术在生物医学、信息、军事、航空等领域中有难以估计的作用，要构成MEMS的各种特殊结构还要解决以下问题：CAD技术、封装和测试、可靠性、应用研究和标准化问题。

在CAD封装和测试方面，MEMS和IC最大区别在于MEMS要与现实世界发生多方面的相互作用，涉及多种能量和物质的传输和处理，因此比IC要复杂得多，成为MEMS技术进一步发展的瓶颈。

MEMS的可靠性和应用研究也是目前MEMS技术的难点。

可靠性是MEMS器件使用者最关心的问题之一，尤其是在MEMS应用于医疗领域时，可靠性尤为突出。

粘附、杂质玷污以及加工中的残余应力，是目前MEMS中造型机械结构失效的主要原因。

目前各国的科研机构已对这些问题给予了高度的重视,正在努力地解决，并有所突破。

参考文献：
[1] 刘成刚.MEMS技术的发展与应用[J].济南职业学院学报，2007，(1)：5-77.
[2] 张英，戚红向，李德强等.MEMS航天惯导产品及技术发展简介[J].航天标准化，2010,3:40-43.
[3] Weissler.Microsystems[J].Sensors and actuators,1944,40:2
[4] 张威,张大成,等.MEMS概况及其发展趋势[J].微纳电子技术,2002,(1):22~28.
[5] 赵醇生，陈启东.微型机械的特点、研究现状与应用[J].震动、测试与诊断，1988,18（1）：61-70.
[6] 孙立宁，周兆英，龚振邦.MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考[J].机器人技术与应用，2002，1：2-4.
[7] 牛君，刘云桥.MEMS技术的发展与应用[J].高新技术，2007,11:1-2
[8] Petersen K E. Silicon as a mechanical materal[A]. Proc. IEEE[C]. 1982,70:420
[9] S M Speakking. Materials issues in microelectromechanical systems[J]. Acta materials, 2000,48:179-196。