k微机电系统的现状与展望

1、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

2、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。Tab 1AppUfca tton

3、 of M HMS白功化电子IK拧通倍国酚VI 4世盘射枚制导压力打即机ft掏炖砂设*恤察导肮'r.通信存储集菇块启设茗押制匠电吐堆靈ft蚯表 I M用表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。 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

4、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。 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

5、2 Am）。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。 LIGA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。抗i*制陶瓷制适光刻(a) lithographic金辑金属结构 f模扳插件(时电覽(b) g

6、aivanotbrmung(c)压模(c) abformung图1 LK；A加工简图（3）MEMS的发展趋势 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尺寸也从卩m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尺度而不是卩m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。 集成化MEMS即集成MEMS

7、，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。I 咖 H 巧 L7S0 1985 L?90 1995 2W) 2005时liil &2 M IM S的岸尔定律图 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。 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

8、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。 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