微机电系统-MEMS简介

微机电系统-MEMS简介

早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统——MEMS:MicroelectromechanicalSystem。由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。MEMS定义2/2/20232微机电系统的组成框图如图1所示，它是将微机械、信息输入的微型传感器、控制器、模拟或数字信号处理器、输出信号接口、致动器(驱动器)、电源等都微型化并集成在一起，成为一个微机电系统。微机电系统内部可分成几个独立的功能单元，同时又集成为一个统一的系统。图1微机电系统的组成框图

2/2/202331959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。

微电子机械系统是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计和制造具有特定功能的微型装置（包括微结构器件、微传感器、微执行器和微系统等方面）的一门科学。2/2/20234世界上第一个微静电马达2/2/20235MEMS的发展过程20世纪60年代：采用将传感器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器。20世纪60年代后期：硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构。

20世纪70年代：人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜，掺杂以及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了，随之而来的是“体硅加工”技术。2/2/2023620世纪80年代：“表面微加工”技术在加速度计、压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用。

20世纪80年代后期：MEMS在世界范围内受到了广泛重视，在美国、欧洲和亚洲，投入的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长。MEMS正在处于蓬勃发展的关键时期，不断地有新型器件和新型技术给予报道，人们见证了基于MEMS技术的喷墨打印头、压力传感器、流量计、加速度计、陀螺仪、非冷却红外成像仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程。（如同IC）

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1939年

P-N结半导体

(W.Schottky)1948年

晶体管

(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)1954年

半导体压阻效应

(C.S.Smith)1958年

集成电路（IC）

(J.S.Kilby)1959年“Thereisplentyofroomatthebottom”(R.Feynman)1962年

硅集成压力驱动器

(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)1965年

表面微机械加速度计

(H.C.Nathanson,R.A.Wichstrom)1967年

硅各向异性深度刻蚀

(H.A.Waggener)1973年

微型离子敏场效应管

(TohokuUniversity)1977年

电容式硅压力传感器

(Stanford)MEMS的发展过程的重要历史事件2/2/20238

1979年集成化气体色谱仪(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)1981年水晶微机械(YokogawaElectric)1982年“Siliconasamechanicalmaterial”(K.Petersen)1983年集成化压力传感器(Honeywell)1985年LIGA工艺(W.Ehrfeldetal.)1986年

硅键合技术(M.Shimbo)1987年微型齿轮(UCBerkeley)1988年

压力传感器的批量生产(NovaSensor)1988年微静电电机(UCBerkeley)1992年

体硅加工工艺(SCREAMprocess,Cornell)1993年数字微镜显示器件(TexasInstruments)1994年商业化表面微机械加速度计(AnalogDevices)1999年光网络开关阵列(Lucent)2/2/20239

由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、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。MEMS的应用领域

2/2/202310MEMS的应用领域

1、MEMS在空间科学上的应用

2、MEMS在军事国防上的应用

3、MEMS在汽车工业上的应用

4、MEMS在医疗和生物技术上的应用

5、MEMS在环境科学上的应用

6、MEMS在信息技术领域中的应用

MEMS在导航、飞行器设计和微型卫星等方面有着重要应用。如：基于航天领域里的小卫星、微卫星、纳米卫星和皮米卫星的概念，提出了全硅卫星的设计方案，整个卫星的重量缩小到以千克计算，进而大幅度降低成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。

用MEMS技术制造的微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人和其他MEMS器件，在军事上的无人技术领域发挥着重要作用。美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm×10cm的微型侦察机。

汽车发动机控制模块是最早使用MEMS技术的汽车装备，在汽车领域应用最多的是微加速度计和微压力传感器，并且以每年20%的比例在迅速增长。此外，角速度计也是应用于汽车行业的重要MEMS传感器，它可用于车轮的侧滑控制。

采用体微加工技术制作的各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽和微流量计等器件适合于操作生物细胞和生物大分子。由于MEMS器件的体积小，能够进入很小的器官和组织，同时又能进行细微精细的操作，因此可以大大提高介入治疗的精度，降低医疗风险。

利用MEMS技术制造的微型仪器在环境检测、分析和处理方面大有作为，它们主要是由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备,其优势在于体积小、价格低、功耗小和易于携带。MEMS技术的发展对信息技术产生了深远的影响。近年来，MEMS又逐渐向光通讯领域渗透，形成了由微光学、微电子学、微机械学和材料科学相结合的全新研究领域，即微光电子机械系统（MOEMS）。2/2/202311MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、减震系统、防盗系统等。GPS定位系统。*在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用*在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统*在轮胎里作为压力传感器。在汽车上的应用2/2/2023122/2/202313MEMS已在空间超微型卫星上得到应用,该卫星外形尺寸为2.54cm×7.62cm×10.6cm,重量仅为250g。2000年1月,发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例。对小卫星试验来说幸运的是,因其飞行寿命短,所以,暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题。小卫星上基于硅的RF开关在太空应用中表现出优异的性能,这得益于它的超微小尺寸。作为一个在海上应用的实例,MEMS引信/保险和引爆半导体,微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,F/SA装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括3个独立步骤:发射鱼雷后,解除炸药保险、引爆引信和防止在不正确时间爆炸保险。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术,MEMSF/SA器件要比传统的装置小1个数量级,可安装在15.88cm的鱼雷上,这是其他方法做不到的.在军事上的应用2/2/202314国外MEMS技术在引信中的应用MEMS技术在精确打击弹药引信中的应用美国FMU2159/B硬目标侵彻灵巧引信及加速度计2/2/202315采用MEMS技术的弹道修正引信装有弹道修正引信的MK64制导炮弹2/2/202316单兵20mm高爆榴弹微机电引信2/2/202317在1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念。即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成,这样,可使整个卫星的质量缩小到以kg计算,从而使卫星的成本大幅度降低。美国提出的硅固态卫星的概念图，这个卫星除了蓄电池外，全由硅片构成，直径仅15cm。航空航天的应用2/2/202318微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹。例如:将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体,就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测。将特制的微型机器人送入人体,可刮去导致心脏病的油脂沉积物,除去体内的胆固醇,可探测和清除人体内的癌细胞,进行视网膜开刀时,大夫可将遥控机器人放入眼球内,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特点,可大大提高介入治疗的精度,直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险。同微电子,集成电路,IC,工艺,设计,器件,封装,测试,MEMS时,可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。所以,微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大,为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望。生物医疗和医学上的应用2/2/202319

OMOM智能胶囊消化道内窥镜系统金山科技集团研制的胶囊内镜“胶囊内镜”是集图像处理、信息通讯、光电工程、生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统（MEMS）高科技产品，由智能胶囊、图像记录仪、手持无线监视仪、影像分析处理软件等组成。

工作时间：8小时左右

视角度：140度

视距：3cm

分辨力：0.1mm

体积：13mm×27.9mm

重量：<6g

外壳：无毒耐酸耐碱高分子材料图象记录仪2/2/202320OMOM胶囊内镜的工作原理是：患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后，它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行，同时对经过的腔段连续摄像，并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录，工作时间达6～8小时，在智能胶囊吞服8～72小时后就会随粪便排出体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况，从而对病情做出诊断。

影像工作站

优点:操作简单:整个检查仅为吞服胶囊、记录与回放观察三个过程。医生只需在回放观察过程中，通过拍摄到的图片即可对病情做出准确判断。安全卫生:胶囊为一次性使用，避免交叉感染;外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料，对人体无毒、无刺激性,能够安全排出体外。扩展视野:全小肠段真彩色图像清晰微观，突破了小肠检查的盲区，大大提高了消化道疾病诊断检出率。方便自如:患者无须麻醉、无须住院，行动自由，不耽误正常的工作和生活。2/2/202321这个一次性胰岛素注射泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流MEMS芯片的量产能力。纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一.微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量，更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程，同时还能检测泵可能发生的故障，更好地保护患者的安全。成本非常低廉。

胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素（CSII）可以替代一天必须输注几次的单次胰岛素注射法，这种疗法越来越被人们看好。按照CSII治疗方法，糖尿病患者连接一个可编程的注射泵，注射泵与一个贮液器相连，胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组织内，在一天的输液过程中，可根据病人的情况设定液量。微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗.2/2/202322仿学中的应用（仿生纤毛）地下水流微传感器2/2/202323

MEMS器件根据其特性分成微传感器、微执行器、微结构器件、微机械光学器件等。微传感器机械类化学类磁学类生物类力学力矩位置速度加速度流量角速度(陀螺)气体成分湿度PH值离子浓度2/2/202324微执行器马达齿轮扬声器开关微结构器件薄膜探针弹簧微梁微腔沟道微轴锥体微光学器件微镜阵列微光扫描器微斩光器光编码器微光阀微干涉仪微光开关微透镜2/2/202325大机械制造小机械，小机械制造微机械日本为代表LIGA工艺Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(电铸)Abformung(塑铸)德国为代表硅微机械加工工艺：体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表MEMS制造工艺2/2/202326Materials硅基材料单晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(SiliconOnInsulator)。聚合物材料光刻胶，聚二甲硅氧烷其他材料砷化镓，石英，玻璃，钻石，金属。

2/2/202327Technologies

物理气相淀积(PhysicalVapourDeposition)化学气相淀积(ChemicalVapourDeposition)电镀（Electroplating）旋转铸模（SpinCasting）溶胶-凝胶（Sol–GelDeposition）光刻(Photolithography)刻蚀:干法刻蚀（DRIE,ICP）和湿法腐蚀键合技术2/2/202328物理气相淀积(PVD)物理气相淀积是利用某种物理过程，例如蒸发或溅射过程来实现物质转移，即把原子或分子由源转移到衬底表面上，从而淀积形成薄膜，整个过程不涉及化学反应，常用的有真空蒸发和溅射。真空蒸发是在真空室中，吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够高的能量，脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中，从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜。优点：较高的淀积速率，薄膜纯度高，厚度控制精确，生长机理简单

缺点：台阶覆盖能力差，工艺重复性不好，淀积多元化合金薄膜时组分难以控制溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个，将离子引向被溅射物质，轰击被溅射物质使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶圆片上形成薄膜。这个过程就像用石头用力扔向泥浆中，会溅出许多泥点落在身上一样。优点：淀积薄膜与衬底附着性好，淀积多元化合金薄膜时组分容易控制，较高的薄膜溅射质量，高纯靶材，高纯气体。2/2/202329化学气相淀积(CVD)指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。淀积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。几乎可以淀积集成电路工艺中所需要的各种薄膜，例如掺杂或不掺杂的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金属(钨、钼)等

目前常用的有常压化学气相淀积(APCVD)、低压化学气相淀积(LPCVD)以及等离子体增强化学气相淀积(PECVD)

有淀积温度低、薄膜成分和厚度易于控制、均匀性和重复性好、台阶覆盖优良、适用范围广、设备简单等一系列优点。相对于与PVD相比，其优点：结晶性和理想配比都比较好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀积温度低，台阶覆盖性好。2/2/202330真空镀膜仪2/2/202331磁控溅射电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离靶材，最终沉积在基片上2/2/202332电子束蒸镀2/2/202333光刻工艺流程（1）涂胶，（2）前烘掩模版紫外光（3）曝光（4）显影，（5）坚膜（6）刻蚀，（7）去胶2/2/202334曝光方法：接触式曝光（ContactPrinting），接近式曝光（ProximityPrinting），投影式曝光（ProjectionPrinting）。正胶和负胶的比较：

负性光刻采用负性光刻胶，曝光后光刻胶会因交联而硬化，不溶于溶剂，将想产生的图形置于掩模板上不透明的区域，则最终在光刻胶上形成的图形与掩模板上的相反，负性光刻是最早用在半导体工艺中的。正性光刻采用正性光刻胶，基本特征，曝光后的光刻胶经过用中化学反应，反应后，在显影液中软化并溶解，而不曝光的区域上的光刻胶则保留在硅片上，作为后续工艺保护层，这种方法复制到硅片表面上的图形与掩模板上的相同。

2/2/202335LIGA技术

LIGA技术是利用X光射线光刻，通过电铸成形和铸塑形成深层微结构方法。可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，深度刻达1000微米。LIGA工艺对设备的要求较高，生产费用较昂贵。2/2/202336湿法化学腐蚀硅的晶体结构图1.硅晶体结构硅晶体中主要晶面2/2/202337各向异性腐蚀溶剂（1）KOH-H2O溶液（2）KOH+IPA溶液（3）乙二胺-邻苯二酚和水的混合液（EPW）2/2/202338（4）TMAH（四甲基氢氧化铵）SiO2在硅片〈100〉面上的各向异性腐蚀在硅片〈110〉面上的各向异性腐蚀2/2/202339(110)(111)(110)(110)(111)硅的各向异性腐蚀(a)(b)2/2/202340干法刻蚀反应离子刻蚀（RIE）深反应离子刻蚀(DRIE)耦合等离子体刻蚀(ICP)2/2/202341反应离子刻蚀（RIE）等离子体刻蚀与湿法刻蚀相比，明显优点就是等离子可以容易地开始和结束，而且等离子对硅片上温度的微小变化不是那么敏感。2/2/2023422/2/2023432/2/2023442/2/202345

MEMS螺旋形电感和多层电感2/2/202346固相键合技术两块固态材料之间不用任何粘合剂，而是通过化学键合物理作用将它们紧密地结合在一起的方法。在MEMS制造工艺中，经常要对微结构进行支撑和保护，也可实现