微机电系统综述

微机电系统综述
摘要：微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔[1]。

本文介绍了微机电系统起源及研究发展的背景，综述了微机电系统所涉及的器件设计、制作材料、制作工艺、封装与测试等关键技术，介绍了微机电系统在微传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源系统、微型生物芯片等方面的典型应用，大量先进的MEMS器件有望在未来几十年中从实验室推向实用化和产业化。

关键词：MEMS；微机械加工；封装；测试；应用
Abstract;Micro-electromechanical system(MEMS)，developed on the basis of microelectronics，is a scientific research frontier of multidiscipline and assimilates the most advanced achievements in current research and development．MEMS extends into various fields with wide application prospects，such as automotive electronics, aeronautics and astronautics，information communication, biomedicine，auto-control and defense industry，and so on．This paper introduces the basic theory research of MEMS development and its background.Summarizes the key technologies of MEMS such as device design，fabricating material, machining processes ,micro-packaging and testing．Further more，the typical applications and latest development in fields including micro-sensor，micro-actuator，micro-robot，micro air vehicle，micro-power energy system，micro biological chip are discussed．A plenty of advanced MEMS devices would be put into practicality and industrialization from laboratory in recent decades．
Keywords:micro-electromechanical system; micro -machining; package; testing; usage
1 引言
微机电系统简称为MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），是利用微米/纳米技术，以微细加工为基础，将微传感器、微执行器和电子电路、微能源等组合在一起的微机电器件、装置或系统。

它既可以根据电路信号的指令控制执行元件实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接受外部信号。

传感器转换后的信号经电路处理，再由执行器变为机械信号，完成执行命令[2]。

基于其微细加工，可用于完成传统大尺寸所不能完成的任务，也可以把独立微器件，如微传感器或执行器直接嵌入到大尺寸系统中，以达到提高系统可靠性、降低成本、实现系统智能化和自动化的要求。

MEMS并非单纯是宏观机械的微小化，它的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。

微电子学、微机械学、微光学、微动
力系、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微机构学和微生物学等构成了MEMS 的理论基础[3]。

MEMS 是一种获取、处理和执行操作的集成系统。

其系统组成图如下： 力
其他化学
温度
声音
光
传感元件模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理与其他微系统的通信接口（光/电/磁）执行元件其他信息能量运动
图1 微机电系统的理想理论模型
相对于其他机械系统，MEMS 可以大致归纳出以下一些特点：
⑴ 器件微型化、集成化、尺寸可达亚微米数量级
在一个几平方毫米乃至更小的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理的集成、功能集成甚至完成整个微型计算机的集成，并可大批量、廉价地生产。

具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高，响应时间短等优点[4]。

⑵ 功能多样化、智能化
由于硅具有光电效应、压阻效应、PN 结特性和“Hell”特性等，可用于制备各种光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器。

将不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器集成微传感阵列，结合不同功能的微执行器可形成复杂的微系统[4]。

微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。

⑶能耗低、灵敏度高、工作效率高
微机电系统所消耗的能量远远小于传统的机电系统，却能以10倍以上的速度完成同样的工作，并且不存在信号延迟等问题，可以高速工作[4]。

⑷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、化学和生物等多学科，采用了广泛的物理、化学和生物原理，并集约当今科学发展的许多尖端成果。

2 MEMS 的起源及发展现状
随着硅材料微制造技术的迅速发展，早在20世纪70年代末斯坦福大学就开发出硅微加工的气象色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。

20世纪80年代初，Middelhoek 著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。

美国在1987年举行IEEE Micro-robots and Tele-operators 研讨会，首次提出了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System ，
MEMS）一词，标志着微机电系统研究的开始。

1988年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为12µm的静电型微电机(基于表面牺牲层技术)，并成功运转，这标志着微机电系统时代的真正到来。

近几十年，国外的MEMS技术发展迅猛，美国在静电微电机、MEMS光开关、数字滤镜（DMD）、微光学陀螺仪（MOG）、微卫星及微加速度计等方面的研究均处于领先地位。

日本在MEMS的研究起步晚于美国，但政府、学术界和产业界高度重视，在微细加工、微流量泵、微型传感器、微继电器等方面取得了相当快的进展，尤其是在微机器人方面处于世界领先地位。

德国Karlsruhe研究中心在微细加工方面首创了LIGA技术，既X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合，可实现高深宽比的微机构。

并结合准分子激光烧蚀技术研制出准分子激光工艺技术，其在微细加工方面处于领先地位。

我国MEMS的研究始于二十世纪八十年代末。

经过十多年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，其中,北京大学已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS单位提供加工服务；上海交通大学可提供各种非硅材料的微加工服务，如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻(UV-LIGA)、高深宽比微电铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等；电子部十三所研究的融硅工艺也取得了较大进展，制备出微型加速度计和微型陀螺样品。

此后我国开展了包括微型直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作。

3 MEMS的构件材料[5]
（1）结构材料。

结构材料是那些具有一定机械强度，用于构造MEMS器件结构基体的材料。

目前，用来研制生产MEMS的衬底材料主要仍是单晶硅、多晶硅、非晶硅及各种硅化合物材料。

也有硅橡胶、聚对二甲苯、聚酰亚胺等聚合物材料以及铝、钨、铬、金等金属材料。

采用的其他半导体材料还有SOI、SOS，主要用于高性能的传感器和执行器，以及低功耗的便携式系统；GaAs 材料适用于无线和数据通信；SiC 材料适合高温部件；InP 材料适合高速度光纤部件和高频率无线应用。

近年来，聚合物MEMS 因其低成本、柔韧易弯曲等优势备受青睐。

（2）功能材料。

功能材料是压电材料、光电材料等具有特殊功能的材料。

先进的MEMS功能材料可改善MEMS器件和系统的性能，具有能量变换能力，可实现敏感和致动功能。

如形状记忆合金、磁致伸缩材料等。

以碳纳米管复合材料、金属基复合材料、纳米金属氧化物复合材料等
为研究热点的纳米功能材料备受关注，并在光敏、气敏、生物敏、电流变体等研究领域获得应用。

4 MEMS的相关制造技术
微机电系统的制造深受集成电路制造技术的影响，如硅集成电路制造中的常用的氧化、光刻、掺杂、腐蚀、外延、淀积、钝化等微细加工技术，都是在MEMS技术中常用到的工艺。

但是MEMS 制造又具有一些独特的加工技术，只有这些独特的微加工技术和常规集成电路工艺相结合，才能制造出具有复杂的微米量级的三维微结构、微器件乃至微系统。

目前，国内外制造微机电系统的微细加工技术有3大主流技术，即以美国为代表的硅微机械加工技术、日本以精密加工为特征的微加工技术和德国的LIGA 技术。

此外，电子溅射加工(EDM)，衬底结合和光刻技术在MEMS制造中也有广泛应用。

针对不同的应用背景，有时多种工艺同时应用于MEMS制造中。

4.1 硅微机械加工技术[6]
微机械加工是MEMS以及微光机电系统的关键技术。

微机械加工可分为体微机械加工、表面微机械加工和键合技术三种类型。

体微加工技术是指利用蚀刻工艺对块状硅进行准三维机构的微加工，腐蚀衬底内部的部分材料形成独立的机械结构(悬臂梁、沟槽等)。

表面微加工技术是微机械器件完全制作在基片表面而不穿透基片表面的一种加工技术，其加工依靠牺牲层技术，既通过外延生长热氧化、化学淀积、物理淀积、光刻、溅射和腐蚀等工艺在基体表面构建MEMS结构。

键合技术是将MEMS器件中两种或多种晶格失配的材料集成为一体，制造新型器件和微型元件的一种技术，主要包括直接键合技术、阳极键合技术、共熔键合技术等。

它常与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与集成电路间的电学连接。

4.2 精密微机械加工技术
超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级，可批量制作其他加工方法无法制造的复杂三维微结构器件。

超精密机械加工[7]以金属为加工工件，用硬度高于加工工件的工具，对工件材料切削加工。

常用的技术包括微细车削技术、微细钻削技术、微细铣削技术、微细磨削技术及微细冲压技术等。

特种微细加工技术[8]是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切削加工。

常用的特种超精密微机械加工技术包括微细电火花加工技术、微细电化学加工技术、微细超声加工技术、微细激光加工技术、能束(电子束、离子束、激光束)微机械加工、光成型(三维快速成型)加工、扫描隧道显微镜(STM)加工及各种复合加工技术。

4.3 LIGA 技术和准LIGA技术
LIGA 技术[9]是利用X射线光刻、电铸成型和塑料铸模等方法进行操作的非硅基微机械加工技术，被认为是MEMS制备技术中极有发展前途的一种。

LIGA技术的优越性在于可加工出较大纵横比的微构件，可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，这使得它在微传感器、微执行器等微结构加工中显示出突出的优点。

准LIGA技术工艺操作简单，成本费用相对降低，但却以牺牲高准确度、大深宽比为代价，因此准LIGA技术还有待更进一步的研究和改进。

其代表技术有紫外线LIGA、激光LIGA、硅深刻蚀工艺的Si-LIGA以及用离子束刻蚀的IB-LIGA技术等。

5 MEMS 封装技术
MEMS封装完全不同于传统IC封装的概念,MEMS器件或系统既要感知外部世界，同时又要依据感知结果作出对外部世界的动作反应,其高密度封装不仅要面临的多层互联、散热问题、可靠性问题、可测试性问题,还要考虑将MEMS芯片、封装与工作环境作为一个交互作用的系统来设计MEMS的封装。

MEMS封装等级一般分为芯片级、器件级和系统级三类。

芯片级封装目的是保护芯片或其它核心元件避免塑性变形或破裂，保护系统信号转换电路，对部分元件提供必要的电和机械隔离等。

器件级封装需要包含适当的信号调节和处理。

系统级封装主要是对芯片和核心元件以及主要的信号处理电路的封装。

其中较常用的封装技术有无引线陶瓷芯片载体封装、真空封装、高压静电封装、低温硅直接键合、阻尼控制封装、保护涂层封装以及全片钝化封装等，在微电子封装中备受青睐的倒装芯片封装、上下球栅阵列封装、多芯片模块封装、倒装与引线键合等相结合的3D封装技术已逐渐成为MEMS 封装中的主流[10]。

6 MEMS测试技术
在微机电系统设计制造过程中，需要检测的量包括微结构材料特性、微几何量、微机械量和电学参数等。

最典型的检测技术为扫描隧道显微镜和原子力显微镜技术。

建立通用的MEMS 构件力学性能数据库及开发微构件性能在线综合测试系统是MEMS科技工作者努力的方向。

7 MEMS的应用及最新进展
7.1 微传感器
和传统传感器相比，微传感器因在微体积、高灵敏、恶劣工作环境适应性等方面优势突出而备受推崇。

现在已产业化和正在研究中的微纳传感器涉及领域有压力、加速度、速度、位移、流量、电量、磁场、温度、气体成分、离子浓度、生物浓度、触觉、微陀螺等。

7.2 微执行器
微执行器是MEMS的核心技术，也是国内外MEMS研究的一个重要方向和突破口。

微执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微打印喷头、微扬声器、微机械手、微泵和微阀等[11]。

应用较多的微驱动方式有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等。

7.3 微机器人[12]
微机器人在农业上用于定点喷洒农药，在核工业上用来处理核电站危险事故及核燃料处理，在医学上可进入人体消化管、血管、腹腔完成微注射和微切割作业等。

7.4 微飞行器[12]
微飞行器在军事上广泛用于战场侦察、干扰敌方雷达、通信中继和目标搜索等。

7.5 微动力能源
微动力能源系统成为能源领域与微纳领域的交叉研究热点，主要包括微涡轮机、微转子发动机、微火箭发动机、微型推进器、微型能量转换器、激光微推力器以及近年来备受瞩目的微燃料电池和微热光电能源系统[13]。

7.6 微型生物芯片
微型生物芯片技术作为新一代生物技术，成为当今世纪最令人注目的高新技术之一。

目前主要的微型生物芯片[10]有以基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片为主流的微阵列芯片、以各类样品制备芯片、聚合酶链反应(PCR)芯片、毛细管电泳芯片和色谱芯片为代表的微流路芯片、以及代表生物芯片技术最高境界的芯片实验室。

8 结论
MEMS作为21世纪国际竞相争夺的科技战略制高点，其发展目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业[11]。

当MEMS与其他技术交融时，往往还会催生一些新的MEMS器件，为微电子技术提供了非常大的市场和创新机遇。

然而，实现MEMS的实用化和产业化还面临许多挑战和瓶颈问题，如纳米尺度下尺寸效应的机理研究、多物理场跨尺度耦合问题、纳米加工与组装集成技术、纳米结构测试和表征、MEMS器件
材料及结构相关数据库的建立等，仍需更多科技工作者的共同努力，以期在近几十年将大量MEMS 器件由实验室阶段推向实用化和产业化。

参考文献：
[1] 张冬至，胡国清. 机电系统关键技术及其研究进展[J]. 压电与声光，2010，32(5)：513.
[2] 田文超，等. 微机电系统原理、设计和分析[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2009: 5.
[3] 孟光，张文明，等. 微机电系统动力学[M]. 北京：科学出版社，2008: 4-8.
[4] 娄利飞，等. 微机电系统与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 2-3.
[5] 张冬至，胡国清. 机电系统关键技术及其研究进展[J]. 压电与声光，2010，32(5)：514-515.
[6] 娄利飞，等. 微机电系统与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 78-97.
[7] 娄利飞，等. 微机电系统与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 59-61.
[8] 娄利飞，等. 微机电系统与设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 61-78.
[9] 李德胜，王东红，孙金玮，等. MEMS技术及其应用[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.
[10] 张冬至，胡国清. 机电系统关键技术及其研究进展[J]. 压电与声光，2010，32(5)：515.
[11] 王多. MEMS发展应用现状[J]. 才智, 2011(22)：12-13.
[12] 高世桥，曲大成. 微机电系统(MEMS)技术的研究与应用[J]. 科技导报，2004(4)：157-160.
[13] 张贵钦, 微机电系统(MEMS)研究现状及展望[J]. 组合机床与自动化加工技术，2002(7)：23-25.。