微机电系统发展及展望

微机电系统发展及展望

引言

当今科学技术发展的一个重要方向是微型化、集成化和智能化。加工特征尺寸在微米/亚微米的微电子机械系统（MEMS）则为实现和利用微型化、集成化等提供了重要的途径。

MEMS，微电子机械系统，又称为微机电系统是利用微加工技术和集成电路制造技术将微结构、微传感器、微执行器、控制电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统。这是一门在微电子技术基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，它集成了当今科学技术的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医药、自动控制、国防军工等领域有广阔的应用前景。1微机电系统的发展历史

1954 年，西储大学的C. S. Smith 教授在贝尔电话实验室发表了一篇关于测量锗和硅的压阻系数的论文。这些测量数据为后来的压力、位移和应变传感器研究设计铺平了道路。1959 年，Richard Feynman教授发表了一篇题目为“底部有大量空间”的论文，提出了微计算机、微机械和微器件等设想，具有划时代的意义，它预示着微加工、微器件、微纳米技术新时代的到来。20世纪60年代，谐振栅晶体管、加速度器、硅基压力传感器和应变传感器的问世为微器件研究奠定了基础。1987 年，第一次与“MEMS”相关的研讨会“微型机器人和远程控制”，在美国麻省海恩尼斯举行。紧接着关于MEMS的研讨会在美国和世界各地如雨后春笋般召开，打开了微加工，微系统，微加工技术，MEMS研究的大门。1992年，MEMS期刊亮相，关于微机电系统的研究成为了一个热门。

日本关于MEMS研究起步稍晚于美国, 但进展相当快, 偏重于微机械研究。1988 年成立了微机械研究会,进行开拓性的全面研究和开发。德国对MEMS的研究与美国、日本并驾齐驱，并有自己的特色, 取得令人注目的进展。他们创造了光刻、电铸和注塑( LIGA) 工艺，即应用X射线进行曝光并辅以电铸成型的一种三维微机械加工技术, 制成了悬臂梁执行机械及微型泵等。此外，欧洲其他国家如英国、瑞士、荷兰、丹麦、挪威等国也在积极从事微机械研究。

我国的MEMS 研究始于1989 年，在国家“八五”至“十五”期间得到政府和各部门立项经费达5 亿元。我国MEMS 研发单位主要集中在高等院校和研究所, 不同层次的内地研发单位共有60余个，比较早的研究院所有北京大学微电子所、清华大学精密机械系、上海交通大学微纳米中心、中科院上海微系统与信息技术研究所等。尽管目前在微机械方面的投资、技术基础与经济发达国家比还有一定的差距，但在MEMS研究正在形成自己的力量和技术方向，并在微流体器件、微能源、微型汽轮机、微型马达等方面都取得了成果。

2微机电系统的研究现状

自六十年代产生至今，微机电系统已经取得了非常巨大的成就。从早期加州大学伯克利分校研制出首台硅微电静电马达在实验室取得成功，到惠普公司的喷墨打印机的喷墨头，取得非常好的市场收益，再到德州仪器发明的数字光处理模块（DLP）。整个MEMS的研究已经延伸到机械、材料、光学、流体、化学、医学、生物等学科，其技术影响也以遍及包括各种传感器件、医疗、生物芯片、机器人、通信、能源、武器、航空航天等各个领域。

2.1MEMS技术研究的成果

2.1.1MEMS设计方法

微机电系统主要研究亚微米/微米级的特征尺寸，在这种尺度下所面临的是与

宏观物理学不同的情况：微观摩擦将取决于构件表面间的分子作用力, 而不再是载荷压力, 牛顿摩擦定律在此已不适用；在微流体力学中, 微管道中液体的输送机理和外在表现与N-S流体方程出现偏离,需要基于微流体动态测试平台进行修正。由于微观尺寸下的完整理论尚未建立，关于微机电系统的研究主要是依赖经验和反复试探。

目前微机电系统的设计方法包括依靠实际经验的加工测试设计方法、Bottom －Up 设计方法和Top-Down 设计方法3 种。图2 为MEMS 自顶而下集成设计流

程图[14]。其模拟过程一般包括版图设计、工艺级设计、器件级设计、系统级设计、验证和迭代优化。MEMS 建模是通过计算机辅助工程分析(CAE) 、计算机辅助设计(CAD)、及计算机辅助制造(CAM)进行设计模拟和仿真，借助MEMSCAD 不仅能够缩短设计时间，而且提高生产制造过程的精确度。MEMS 的产品设计包

括器件、集成电路、系统和封装等几个方面。

2.1.2MEMS加工技术

随着微加工技术的发展，目前主要的MEMS微加工技术有体微加工、表面微加工、LIGA工艺和键合工艺等。

体微加工技术是最早采用的微加工技术之一，利用刻蚀液对硅不同晶向的刻蚀速率不同，蚀刻去除衬底的部分材料，形成所需的悬空结构、膜片和空腔等结构。体微加工技术有高的准确度，其刻蚀产生的结构尺寸大,机械性能好,使得器件信号输出值大，易于测量；缺点是材料浪费较严重，并与集成电路兼容性不理想。

LIGA工艺，20世纪80年代德国开发出的一种深X射线刻蚀电铸成型注模复制

技术，通过对光刻胶照射X射线，刻蚀出宽度在几微米数量级，深度在几百微米数量级的高纵横比的光刻胶图形。目前，利用LIGA 技术已成功制造出微减速齿

轮箱、微加速度传感器等。LIGA 技术的优点在于可以加工高纵横比的三维结构，提高了器件的品质因子；由于塑料模具便于复制微结构，因而降低了成本，可进行批量化制作。它的缺点则是制作设备昂贵，使用和维护成本高，不利于实现产业化。

键合技术是将各种不同功能的微结构键合组装成微器件。键合技术大致分为三类：热键合、阳极键合和通过中间层的键合。

2.1.3MEMS封装技术

对于MEMS的封装，目前比较常用的技术有：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3-D 封装技术已逐渐成为MEMS 封装中的主流。目前至未来一段时间内, 微测试技术的重要研究内容集中在MEMS 材料的微观力学性能测试, 微构件几何尺寸及形貌测量、微型机械运动参数测量等。

2.2MEMS技术目前存在的主要问题

在20世纪90年代初，人们预测MEMS产业会像微电子产业一般每年以指数增长。随后的时间证明，MEMS产业的的步伐大大低于人们的预测。由于MEMS本身的多学科交叉性、结构尺寸微小造成的器件可靠性，以及复杂的制造工艺性等问题，使得MEMS系统的研发速度大大的低于了微电子系统的研发速度。目前，制约MEMS

技术发展的主要因素有以下几个方面。

微观尺寸，设计难度大在微米/纳米特征尺寸下，由于物理场和化学场互相耦