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微机电系统的现状与展望（2007.8.10）

摘要：

在过去的20多年中，MEMS已经从早期的技术开发、设备探索和实验研究的阶段发展到当前的实际应用阶段，并逐扩展到许多新的研究和探索领域，MEMS已经成为21世纪最具研究潜力的研究领域之一。对MEMS进行了简要的介绍，包括应用和市场情况以及3中主要的MEMS制造技术，即体微制造、面微制造和LICA技术。最后，提出了MEMS将来研究和发展的趋势。

引言：

MEMS是一种具有毫米级尺寸和微米级分辨力的微细集成设备或系统，它通过微细加工技术在硅片或者其它基体上集成了机械零件、传感器、执行器和电子设备。

MEMS本质上是跨学科的，它利用先进的设计理论、工程和制造技术，吸收了一系列技术的优点，包括集成电路制造技术、机械工程、材料学、电机工程、化学化工、生物技术、流体技术、光学、仪表和封装技术等。应该指出，MEMS技术的重要性不是在于其产品的尺寸，而是在于它所利用的微细加工技术。

（1）MEMS的应用

工业上很成功的产品有基于MEMS的打印机喷墨头、压力传感器、加速度计与数字光处理器（DLP）等。MEMS也适用于太空探索，2004年，中国将一颗由清华大学研制的纳米卫星NS-1送入太空，其质量小于25Kg，通过应用基于MEMS技术的微细零件，NS-1在综合设计、制造以及MEMS器件的集成等试验中都取得了成功。

表1列出了MEMS的一些典型应用，它几乎覆盖了人们生活中的各个方面。

（2）MEMS的制造

目前，应用于MEMS制造的微细加工技术都来源于IC产业。主流微制造工艺包括体微加工、面微加工个LIGA技术。此外，电子溅射加工(EDM)，衬底结合和光刻技术也广泛应用于MEMS的制造。

①体微加工

体微加工技术指利用刻蚀工艺对块状硅进行准三维结构的微加工。刻蚀又分为采用液体刻蚀剂的湿刻法和采用气体刻蚀剂，如等离子体的干刻蚀法。湿刻蚀法又分为各向同性刻蚀和各向异性可刻蚀。各向同性刻蚀法在硅片的所有方向均匀刻蚀，沿晶界面形成刻蚀边缘；各向异性刻蚀法刻蚀速度与单晶硅的晶向有密切关系，刻蚀边界是平滑变化的。一般而言，在非晶墨上的刻蚀是各项同性的，而在晶体膜上的刻蚀可能是各向异性的。体微加工可以可以从衬底中加工出非常厚的MEMS特征结构，但是，复杂或多层的结构通常无法用体微加工制造。

②面微加工

面微加工是一种通过沉积、掩模和刻蚀一系列1-00?m厚薄膜而制造MEMS器件的加工方法。这是一个不断累叠逐层制造的过程，此过程中的材料在后续加工中会被有选择性的留下或去除，而衬底大部分保持不变。该技术一般用于制造复杂的平面结构与薄膜装置（约2?m）。面微加工的一个主要特点是在结构材料（如硅）与牺牲材料（如氧化层）组成的轮换层上进行沉积。

③LIGA技术

LIGA技术即光刻、电镀和压膜。图1是LIGA制造过程的一个简图。这种方式可以制造出?m至cm级高度，且具有高深宽比的机构。目前，LIGA技术已经用于制造加速度计、光耦合器和微射流装置。尽管可以制造较复杂的三维结构，但是由于LIGA技术必须采用同步辐射X射线光源曝光，加工时间较长，工艺过程较复杂，价格昂贵，且制造带有曲面的微结构较困难等原因，人们正在研究开发相对廉价的三维微加工技术。

（3）MEMS的发展趋势 ①细微化 今年来，微型加速度计的研究引起了许多人的兴趣，而MEMS尺寸也从μm级迈向nm级,于是, NEMS出现了。NEMS即纳机电系统( nanoelectromechanical systems) ,它与MEMS很相似,但它是在nm尺度而不是μm尺度上进行加工的。RoukesM L认为,今后可以造出质量约10 - 18 g,截面尺寸约为10 nm的NEMS装置。这些装置的极小尺寸将引起新的物理效应,并使传统的加工方式失去效果,因此,需要开发新的制造技术。

②集成化

MEMS即集成MEMS，它是由集成电路IC与MEMS以单片或多片芯片的形式紧密结合而形成的一种微集成系统。

图2是MEMS的摩尔定律。上条曲线是IC工业上著名的摩尔定律,它预言每隔18个月,集成电路上晶体管的密度将增加1倍,而集成电路的性能也将提升1倍。下条曲线代表MEMS的发展,它与IC工业摩尔定律所预言的趋势十分相似,MEMS在未来的集成化程度将迅速提升。

③多元化

MEMS在本质上是跨学科的，如果与其他学科结合，它将会创造奇迹。另一方面，除硅外，其他材料也可以应用在MEMS中，如合金、陶瓷、聚合物、高温材料（SiC，AL2O3）、巨磁电阻和新开发的晶体与非晶体材料。利用新材料对MEMS进行制造与封装将是一个非常有潜力的研究领域。

④产业化

尽管目前MEMS已经在很多领域都有广泛的应用,但与其他产业相比,其产量依然十分有限。随着相应技术与基础研究的不断积累,工业应用与商业开发的加速,MEMS将加速发展,其市场潜力极其巨大。MEMS产业将在未来的几年中发展成熟。MEMS将在标准化和高性价比2个方面迈向大规模生产。

1)标准化:标准化是任何一个产业成长与成熟必不可少的过程。对制造MEMS的材料性能、加工效果以及在MEMS的设计、制造、封装和测试中相关参数进行标准化将决定MEMS产业化发展的成功与否。

2)高性价比:市场规模通常决定于产品价值与产品价格。提高MEMS产品的总体性能,使它们能够满足不同的要求以扩大它们的应用范围,同时,降低产品研发与制造成本,提高生产效率, 从而降低MEMS产品的价格, 这样,MEMS将迅速成长为一个大型产业。