微机电系统(MEMS) 简述

    为了说明什么是微机电系统MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)，首先来解释一下什么是机电系统。20多年以前，汽车还是一个单纯的机械系统，后来随着电子技术的发展，汽车的很多零部件(例如电子点火器、燃油电子喷射装置、电控自动变速箱等)都依靠电子系统进行控制，因此现在的汽车实际上就是一个大的机械电子系统。而微机电系统则是指微小的机械电子系统，例如比一粒花生米还要小的飞机或汽车，是由很多只有几百微米大小的零件组成的，而这些零件是用微电子等微细加工技术制备出来的，既包含机械部件又包含电子部件，因此我们称这类微小的机械电子系统为微机电系统。

　　微机械电子系统是微电子技术的拓宽和延伸，它是将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，并将微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅能感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，使之转换成电子系统可以识别的电信号，而且还能通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需的操作。

　　MEMS主要包含微型传感器、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，经过信号处理以后(模拟/数字)再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转化为另一种形式，从而将现实世界的信号(如热、运动等信号)转化为系统可以处理的信号(如电信号)。执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。美国AnalogDevice公司已经研制出很多种将集成电路与MEMS集成在一起的集成微加速度计、微陀螺等产品。

　　MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。

　　MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点，MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微加速度计可以用于汽车的安全气囊，当汽车发生碰撞等交通事故时，汽车的加速度会很大，这时通过微加速度计可以判断是否发生撞车事故。若发生交通事故，微加速度计即可以发出指令，使安全气囊及时弹出，保护司机和乘客的安全。又如，微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合系统能应用于制导系统、卫星控制系统、汽车自动驾驶仪、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制系统和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护。MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5μm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，3mm大小的能够开动的小汽车，可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。

　　MEMS技术及其产品正处在加速发展时期，增长速度非常之高。预计到2000年，全世界MEMS的市场将达到120～140亿美元，而与之相关的市场将达到1000亿美元。

　　MEMS器件的主要种类

　　目前，MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域，而它与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS器件。正因为如此，MEMS器件的种类极为繁杂。根据目前的研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统内部包含的单元主要有以下几大类：

　　(1)微传感器。微传感器种类很多，主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包含有很多种。例如机械类中又包括力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器等，化学类中又包括气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器等。

　　(2)微执行器。微执行器主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微机械开关、微喷射器、微扬声器、微可动平台等。

　　(3)微型构件。三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。

　　(4)微机械光学器件。这是一种利用MEMS技术制作的光学元件及器件。目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。

　　(5)真空微电子器件。它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，是一种采用已有的微细加工工艺在芯片上制造的集成化微型真空电子管或真空集成电路。它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运是在真空中进行的，因此真空微电子器件具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前研究较多的真空微电子器件主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。

　　(6)电力电子器件。它主要包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。

　　现在，已经有很多很多种用途各异的MEMS器件相继问世。目前，微型马达的实例较多，其中德国采用LIGA技术制备的微型马达比较成功，已用于微型直升机样品。

　　MEMS的主要加工工艺

　　目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种。第一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。第一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。

　　1.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首选工艺。

　　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。

　　2.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，最后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。

　　MEMS技术的发展趋势

　　根据MEMS发展的现状，人们对今后MEMS技术的发展进行了大量的预测，作为本文的小结，将大多数专家认为的MEMS技术在今后的主要发展趋势综合如下：

　　(1)研究方向多样化。从历次大型MEMS国际会议的论文来看，MEMS技术的研究日益多样化。MEMS技术涉及的领域主要包括惯性器件(如加速度计与陀螺)、原子力显微镜、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件等。内容涉及军事、民用等各个应用领域。

　　(2)加工工艺多样化。正在使用和研究的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，而具体的加工手段更是多种多样。

　　(3)系统单片集成化。一般传感器的输出信号(电流或电压)很弱，若将它连接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会彻底掩盖有用的信号，因此采用灵敏元件外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器，只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。

　　(4)MEMS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。封装技术是MEMS的一个重要研究领域，几乎每次MEMS国际会议都对封装技术进行专题讨论。

　　(5)普通商用低性能MEMS器件与高性能特殊用途(如航空、航天、军事用)MEMS器件并存。例如加速度计，既有大量的只要求精度为0.5g以上、可广泛应用于汽车安全气囊等的具有很高经济价值的加速度计，也有要求精度为10－8g的、可应用于航空航天等高科技领域的加速度计。对于陀螺，也是有些情况要求其精度为0.1°/小时，有的则只要求10000°/小时。