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為了說明什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS （Micro Electro Mechanical Systems），首先來解釋一下什么是機(jī)電系統(tǒng)。20多年以前，汽車還是一個(gè)單純的機(jī)械系統(tǒng)，后來隨著電子技術(shù)的發(fā)展，汽車的很多零部件（例如電子點(diǎn)火器、燃油電子噴射裝置、電控自動(dòng)變速箱等）都依靠電子系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此現(xiàn)在的汽車實(shí)際上就是一個(gè)大的機(jī)械電子系統(tǒng)。而微機(jī)電系統(tǒng)則是指微小的機(jī)械電子系統(tǒng)，例如比一粒花生米還要小的飛機(jī)或汽車，是由很多只有幾百微米大小的零件組成的，而這些零件是用微電子等微細(xì)加工技術(shù)制備出來的，既包含機(jī)械部件又包含電子部件，因此我們稱這類微小的機(jī)械電子系統(tǒng)為微機(jī)電系統(tǒng)。
微機(jī)械電子系統(tǒng)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它是將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，并將微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來，它不僅能感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號(hào)，使之轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào)，而且還能通過電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，進(jìn)而發(fā)出指令，控制執(zhí)行部件完成所需的操作。
MEMS主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分。作為輸入信號(hào)的自然界各種信息首先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理以后（模擬/數(shù)字）再通過微執(zhí)行器對(duì)外部世界發(fā)生作用。傳感器可以把能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，從而將現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)（如熱、運(yùn)動(dòng)等信號(hào)）轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的信號(hào)（如電信號(hào)）。執(zhí)行器根據(jù)信號(hào)處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號(hào)處理器則可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大和計(jì)算等處理。美國(guó)AnalogDevice公司已經(jīng)研制出很多種將集成電路與MEMS集成在一起的集成微加速度計(jì)、微陀螺等產(chǎn)品。
MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。
MEMS的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微加速度計(jì)可以用于汽車的安全氣囊，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞等交通事故時(shí)，汽車的加速度會(huì)很大，這時(shí)通過微加速度計(jì)可以判斷是否發(fā)生撞車事故。若發(fā)生交通事故，微加速度計(jì)即可以發(fā)出指令，使安全氣囊及時(shí)彈出，保護(hù)司機(jī)和乘客的安全。又如，微慣性傳感器及其組成的微型慣性測(cè)量組合系統(tǒng)能應(yīng)用于制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制系統(tǒng)、汽車自動(dòng)駕駛儀、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制系統(tǒng)和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)。MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)和顯示、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，3mm大小的能夠開動(dòng)的小汽車，可以在磁場(chǎng)中飛行的像蝴蝶大小的飛機(jī)等。
MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品正處在加速發(fā)展時(shí)期，增長(zhǎng)速度非常之高。預(yù)計(jì)到2000年，全世界MEMS的市場(chǎng)將達(dá)到120～140億美元，而與之相關(guān)的市場(chǎng)將達(dá)到1000億美元。
一、MEMS器件的主要種類
目前，MEMS技術(shù)幾乎可以應(yīng)用于所有的行業(yè)領(lǐng)域，而它與不同的技術(shù)結(jié)合，往往便會(huì)產(chǎn)生一種新型的MEMS器件。正因?yàn)槿绱耍琈EMS器件的種類極為繁雜。根據(jù)目前的研究情況，除了進(jìn)行信號(hào)處理的集成電路部件以外，微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部包含的單元主要有以下幾大類：
（1）微傳感器。微傳感器種類很多，主要包括機(jī)械類、磁學(xué)類、熱學(xué)類、化學(xué)類、生物學(xué)類等等，每一類中又包含有很多種。例如機(jī)械類中又包括力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度（陀螺）、位置、流量傳感器等，化學(xué)類中又包括氣體成分、濕度、PH值和離子濃度傳感器等。
（2）微執(zhí)行器。微執(zhí)行器主要包括微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門、微機(jī)械開關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微可動(dòng)平臺(tái)等。
（3）微型構(gòu)件。三維微型構(gòu)件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。
?。?）微機(jī)械光學(xué)器件。這是一種利用MEMS技術(shù)制作的光學(xué)元件及器件。目前制備出的微光學(xué)器件主要有微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。
?。?）真空微電子器件。它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，是一種采用已有的微細(xì)加工工藝在芯片上制造的集成化微型真空電子管或真空集成電路。它主要由場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極、陽極、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成。由于電子輸運(yùn)是在真空中進(jìn)行的，因此真空微電子器件具有極快的開關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前研究較多的真空微電子器件主要包括場(chǎng)發(fā)射顯示器、場(chǎng)發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。
（6）電力電子器件。它主要包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS（VMOS）器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS（VVMOS）器件等各類高壓大電流器件。
現(xiàn)在，已經(jīng)有很多很多種用途各異的MEMS器件相繼問世。目前，微型馬達(dá)的實(shí)例較多，其中德國(guó)采用LIGA技術(shù)制備的微型馬達(dá)比較成功，已用于微型直升機(jī)樣品。
二、MEMS的主要加工工藝
目前，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種。第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)器制造小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造微機(jī)器的方法。第二種是以美國(guó)為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對(duì)硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。第三種是以德國(guó)為代表的LIGA（即光刻、電鑄和塑鑄）技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。上述第二種方法與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成，而且適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。LIGA技術(shù)可用來加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，并可用來制做深寬比大的精細(xì)結(jié)構(gòu)（加工深度可以達(dá)到幾百微米），因此也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù)。LIGA技術(shù)自八十年代中期由德國(guó)開發(fā)出來以后得到了迅速發(fā)展，人們已利用該技術(shù)開發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達(dá)、微加速度計(jì)、微射流計(jì)等。第一種加工方法可以用于加工一些在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的微機(jī)械裝置，如微型機(jī)器人、微型手術(shù)臺(tái)等。下面主要介紹LIGA和硅MEMS技術(shù)。
1. LIGA技術(shù)
LIGA技術(shù)是將深度X射線光刻、微電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)相結(jié)合的一種綜合性加工技術(shù)，它是進(jìn)行非硅材料三維立體微細(xì)加工的首選工藝。
LIGA技術(shù)制作各種微圖形的過程主要由兩步關(guān)鍵工藝組成，即首先利用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形，然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具，再利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu)。LIGA技術(shù)為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬、塑料和陶瓷零件組成的三維微機(jī)電系統(tǒng)，而用它制造的器件結(jié)構(gòu)具有深寬比大、結(jié)構(gòu)精細(xì)、側(cè)壁陡峭、表面光滑等特點(diǎn)，這些都是其它微加工工藝很難達(dá)到的。
2.硅基MEMS技術(shù)
以硅為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工工藝也分為多種，傳統(tǒng)上往往將其歸納為兩大類，即體硅加工工藝和表面硅加工工藝。前者一般是對(duì)體硅進(jìn)行三維加工，以襯底單晶硅片作為機(jī)械結(jié)構(gòu)；后者則利用與普通集成電路工藝相似的平面加工手段，以硅（單晶或多晶）薄膜作為機(jī)械結(jié)構(gòu)。
在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中，最關(guān)鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等。各向異性腐蝕技術(shù)是體硅微機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù)。濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。常用的進(jìn)行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等，EPW和KOH對(duì)濃硼摻雜硅的腐蝕速率很慢，因此可以利用各向異性腐蝕和濃度選擇腐蝕的特點(diǎn)將硅片加工成所需要的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。
利用化學(xué)腐蝕得到的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度可以達(dá)到整個(gè)硅片的厚度，具有較高的機(jī)械靈敏度，但該方法與集成電路工藝不兼容，難以與集成電路進(jìn)行集成，且存在難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點(diǎn)。為了克服濕法化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，采用干法等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)成為微機(jī)械加工技術(shù)的主流。隨著集成電路工藝的發(fā)展，干法刻蝕深寬比大的硅槽已不再是難題。例如采用感應(yīng)耦合等離子體、高密度等離子體刻蝕設(shè)備等都可以得到比較理想的深寬比大的硅槽。
鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工的直接手段，卻在微機(jī)械加工中有著重要的地位。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù)，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接。在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù)，如硅化物鍵合、有機(jī)物鍵合等。
表面犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械技術(shù)的主要工藝，其基本思路為：首先在襯底上淀積犧牲層材料，并利用光刻、刻蝕形成一定的圖形，然后淀積作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形，最后再將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉，這樣就形成了懸浮的可動(dòng)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件。常用的結(jié)構(gòu)材料有多晶硅、單晶硅、氮化硅、氧化硅和金屬等，常用的犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻膠等。
三、MEMS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
根據(jù)MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀，人們對(duì)今后MEMS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了大量的預(yù)測(cè)，作為本文的小結(jié)，將大多數(shù)專家認(rèn)為的MEMS技術(shù)在今后的主要發(fā)展趨勢(shì)綜合如下：
?。?）研究方向多樣化。從歷次大型MEMS國(guó)際會(huì)議的論文來看，MEMS技術(shù)的研究日益多樣化。MEMS技術(shù)涉及的領(lǐng)域主要包括慣性器件（如加速度計(jì)與陀螺）、原子力顯微鏡、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、三維微型結(jié)構(gòu)的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學(xué)器件、各種執(zhí)行器、微型機(jī)電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫(yī)用器件、實(shí)驗(yàn)表征器件、壓力傳感器、麥克風(fēng)以及聲學(xué)器件等。內(nèi)容涉及軍事、民用等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。
?。?）加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結(jié)合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等，而具體的加工手段更是多種多樣。
?。?）系統(tǒng)單片集成化。一般傳感器的輸出信號(hào)（電流或電壓）很弱，若將它連接到外部電路，則寄生電容、電阻等的影響會(huì)徹底掩蓋有用的信號(hào)，因此采用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質(zhì)量很高的傳感器，只有把兩者集成在一個(gè)芯片上，才能具有最好的性能。
?。?）MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮。MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于：MEMS器件芯片一般都有活動(dòng)部件，比較脆弱，在封裝前不利于運(yùn)輸。所以，MEMS器件芯片制造與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮。封裝技術(shù)是MEMS的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，幾乎每次MEMS國(guó)際會(huì)議都對(duì)封裝技術(shù)進(jìn)行專題討論。
?。?）普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途（如航空、航天、軍事用）MEMS器件并存。例如加速度計(jì)，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊等的具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的加速度計(jì)，也有要求精度為10－8g的、可應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域的加速度計(jì)。對(duì)于陀螺，也是有些情況要求其精度為0.1°/小時(shí)，有的則只要求10000°/小時(shí)。
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