MEMS技术的发展与应用

1、技术的发展与应用摘 要 微机电系统(Micro-Electronic Mechanical System-MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。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: Microelectromechanical System。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路,直至接口、通

2、讯和电源等部件於一体的微型系统。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。关键词：精密机械技术，微执行器，微传感器，微型致动器前 言微电子机械系统（Micro Electro Mechanical System），简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术

3、和学科，是一门多学科的综合技术。MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS 研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。1MEMS的发展过程微机电的概念最早可追溯到1959年R.Fe ym.在加州理工大学的演讲。 1982年,K.E .Pe terson发表了一篇题为“Silicon as a Mechanical Mat

4、erial”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。微机电研究的真正兴起则始於1987年，其标志是直径为10um的硅微马达在加州大学伯克利分校的研制成功。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域2MEMS的基本原理MEMS由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入

5、是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信3MEMS的特点.微型化、以硅为主要材料、大量生产、集成化、多学科交叉、应用上的高度广泛。4MEMS的制造技术MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大，而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。5MEMS器件及应用MEMS在国防、医疗、仪器检测、材

6、料等领域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等领域，具有广阔的应用前景，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。6微传感器研究的现状与发展方向MEMS可以广泛地应用于：微机械压力传感器、微加速度传感器、微机械陀螺、微流量传感器、 微气体传感器、微机械温度传感器、其他微机械传感器。第一章 MEMS的发展过程1959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50500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

7、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。1.1 MEMS的发展史自1947年Schockley、Bardeen和Brattain发明晶体管以来，微电子技术有了突飞猛进的发展。1953年，Charles S. Smith研究了半导体的压阻效应。Kulite公司于1970年和1976年，分别引入了各向同性和各向异性腐蚀技术。国家半导体公司于1974年将大批量生产的压力传感器推向市场。1982年，“微机械”

8、这一名词应运而生。这时，体硅微机械加工技术已成为制作微机械器件的有效手段1。1985年，牺牲层技术被引入微机械加工，“表面”微机械加工概念由此产生2。1987年，U. C. Berkeley利用微机械加工技术制作出了世界上第一个微静电马达，掀开了微机械发展的新一页。1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并渐渐成为一个世界性的学术用语。1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。1.2 各国对MEMS的研究MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各个国家的广泛

9、重视，许多有影响的大专院校和研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的研究开发中。美国：在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验机构都投入到这个项目的研究中，取得了令人瞩目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件，能够将它们应用到各类传感器的制作中，而且有相当种类的MEMS器件实现了产业化。日本：1991年，日本成立了国家MEMS开发中心，并在10年内投入了250亿日元开展“微型机械技术”研究开发。由于高强度的资金支持，日本在一些MEMS研究方面也达到了世界领先地

10、位。此外，日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、激光纳米加工等的精密加工技术。德国：德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA工艺而闻名于世，该技术采用X射线曝光和精密电镀相结合，将半导体工艺技术的准三维加工推向真正的三维加工，加工深度可达几百微米，并且具有更高的尺寸精度，现在这种工艺已被许多国家的研究人员所采用。其他各国：此外，如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得了相当不错的研究成果。1.3 我国对MEMS的研究我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装

11、备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿人民币。“十五”期间，MEMS被正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿元人民币以上。发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带来希望，从我国集成电路（IC）的发展历程可以更好地理解MEMS产业化的重要意义。世界对MEMS的研究速度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平，中国MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。第二章 MEMS

12、的基本原理当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象和宏观世界有很大差别。力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能起重要作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快，表面间摩擦阻力显著增大。因此，在微观尺度下的力学、热力学、微流体力学、微摩擦学、微机械学和微光学等的基础理论研究显得尤为重要。第三章 MEMS的特点3.1 微型化MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐

13、振频率高、响应时间短 。3.2 以硅为主要材料机械电器性能优良。硅的强度、硬度及杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近相和钨。3.3 大量生产用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。3.4 集成化可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器，微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。3.5 多学科交叉MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当

14、今科学技术发展的许多尖端成果，是一种多学科交叉技术。3.6 应用上的高度广泛MEMS的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。第四章 MEMS的制造技术MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大，而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。体微机械加工是选择性的去除衬底，形成微机械元件的一种工艺，也是最古老的微机械

15、加工技术。按所用腐蚀剂的不同分为干法腐蚀和湿法腐蚀，也可以根据腐蚀气液对各晶面腐蚀速率的不同分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀4。表面微机械加工是把沉积于硅晶体的表面膜制作加工成MEMS的“机械”部分，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。表面微机械加工的重要优点就是与常规IC工艺的兼容性。另一个优点是器件占用的硅片面积比传统各向异性体硅腐蚀加工的器件的尺寸小很多。与体硅加工方法相比，表面微加工技术形成的结构鲁棒性较差，但其使用的材料多种多样，不局限于单晶硅，而且加工手段和自由度也较前者为佳。LIGA技术是德文光刻电镀模铸的缩写，它主要利用X射线深层曝光、电铸、成型

16、等技术进行微机械加工5。LIGA技术可以制造高的深宽比的结构，宽度可小到1微米，深度可达数百微米，甚至毫米级，非常适合于制作复杂的微机械结构，但是LIGA技术所需的工艺设备比较昂贵，而且与IC工艺不完全兼容，不能有效利用IC工业现有的设备和加工能力，因此产品成本高，短时期内难以形成产业化。晶片键合技术是不用液态的粘接剂，而将两块固态材料键合在一起的方法。硅玻璃键合和硅硅键合是目前两种主要的键合形式。微机械组装技术也被称为二次集成技术，它是将零部件、单元和连接件等通过搬运、融合、固化、胶合、密封等工艺组合成的复杂的微电子机械系统7。第五章 MEMS器件及应用由于MEMS器件和系统具有体积小、重量

17、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。5.1 微传感器MEMS技术经过数十年的发展，已取得了很大的进展。在微传感器方面，除较成熟的压力和加速度传感器之外，在测量力、角速度、流量、声、光、热、磁、气、离子以及生物、化学等领域也已经取得了非常令人振奋的成功。在微执行器领域，已研制成功了多种微型构件，如微膜、微梁、微探针、微齿轮、凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微阀门、微连杆等和多种微执行器，如微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器

18、、微马达等。在微系统方面，也有许多成功的例子，如AD公司的力平衡式角速度仪（ADXL50）、TI 公司的数字化微镜器件（DMD）等，尚在研究阶段的微系统包括微型机器人、微型飞行器、微型卫星、微型动力系统等，其潜在的军事应用前景不容忽视。微传感器一直是MEMS研究的重点。十多年前，微传感器仅有硅压力传感器具有较大市场应用，而如今，加速度传感器已异军突起，许多其它微机械器件也正逐步商业化。MEMS已经在我们的身边：汽车安全气囊中使用的加速度计，医学上使用的新型血压计都有微传感器的身影。由于复杂程度和磨损问题等的缘故，微执行器的发展要落后于微传感器，不过仍有商业化的产品面世，如喷墨打印头、硬盘读写磁

19、头等。最近几年，在MEMS技术中发展起来了一支极具活力的新技术系统，这就是微光机电系统（MOEMS）8。目前已研制的元器件包括微镜阵列、微光斩波器、微光开关、微光扫描器等。5.2 微机械射频器件微机械射频器件（RF-MEMS）是当前国际上研究的又一热点9，包括微型电感、可调电容、微波导、微传输线、微型天线、谐振器、滤波器、移相器等。使用MEMS技术可以实现各个通讯部件的微型化和集成化，可以提高信号的处理速度和缩小整个个人移动系统的体积。由于移动通信的巨大市场潜力，RF-MEMS器件具有无限商机。5.3 生物芯片生物芯片（Biochip）技术是最近十年内发展起来的、结合生物技术和微细加工技术的一

20、门新技术10。利用MEMS工艺技术用硅片制作出了功能完备、价格低廉、携带方便的生物芯片，它往往集样品处理、检测、分析及结果输出为一体，成为一个微型的片上生物实验室，可以完成如体液成分分析、DNA成分分析等诸多功能。第六章 MEMS微传感器研究的现状与发展方向6.1 微机械压力传感器微机械压力传感器是最早开始研制的微机械产品，也是微机械技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。现阶段微机械压力传感器的主要发展方向有以下几个方面。(1)将敏感元件

21、与信号处理、校准、补偿、微控制器等进行单片集成，研制智能化的压力传感器。这一方面，Motorola公司的YoshiiY等人在Transducer97上报道的单片集成智能压力传感器堪称典范2。这种传感器在1个 SOI晶片上集成了压阻式压力传感器、温度传感器、CMOS电路、电压电流调制、8位MCU内核（68H05）、10位模/数转换（A/D）器、8位数模转换（D/A）器，2K字节EPROM、128字节RAM，启动系统ROM和用于数据通信的外围电路接口，其输出特性可以由MCU的软件进行校准和补偿，在相当宽的温度范围内具有极高的精度和良好的线性。(2)进一步提高压力传感器的灵敏度，实现低量程的微压传感

22、器。这种结构以Endevco公司在1977年提出的双岛结构为代表,它可以实现应力集中从而提高了压阻式压力传感器的灵敏度,可实现10kPa以下的微压传感器。这种微压传感器用于脉动风压、流量和密封件泄露量标识等领域。(3)提高工作温度，研制高低温压力传感器。压阻式压力传感器由于受pn结耐温限制，只能用于120以下的工作温度，然而在许多领域迫切需要能够在高低温下正常工作的压力传感器,例如测量锅炉、管道、高温容器内的压力，井下压力和各种发动机腔体内的压力。6.2 微加速度传感器硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。其中最具有吸引

23、力的是力平衡加速度计，其典型产品是Kuehnel等人在1994年报道的AGXL50型，其结构包括4个部分：质量块、检测电容、力平衡执行器和信号处理电路，集成制作在3mm3mm的硅片上，其中机械部分采用表面微机械工艺制作，电路部分采用BiCMOSIC技术制作。随后Zimmermann等人报道了利用SIMOXSOI芯片制作的类似结构，Chan等人报道了测量范围在5g和1g的改进型力平衡式加速度传感器。这种传感器在汽车的防撞气袋控制等领域有广泛的用途，成本在15美元以下。国内在微加速度传感器的研制方面也作了大量的工作，如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器和清华大学微电子所开发的谐振式微加速度

24、传感器。后者采用电阻热激励、压阻电桥检测的方式，其敏感结构为高度对称的4角支撑质量块形式，在质量块4边与支撑框架之间制作了4个谐振梁用于信号检测。6.3 微机械陀螺角速度一般是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度的。这种陀螺仪的精度很高，但它的结构复杂，使用寿命短，成本高，一般仅用于导航方面，而难以在一般的运动控制系统中应用。实际上，如果不是受成本限制，角速度传感器可在诸如汽车牵引控制系统、摄象机的稳定系统、医用仪器、军事仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有广泛的应用前景。因此,近年来人们把目光投向微机械加工技术，希望研制出低成本、可

25、批量生产的固态陀螺。目前常见的微机械角速度传感器有双平衡环结构，悬臂梁结构、音叉结构、振动环结构等。但是，目前实现的微机械陀螺的精度还不到10/h，离惯性导航系统所需的0.1/h相差尚远。6.4 微流量传感器微流量传感器不仅外形尺寸小，能达到很低的测量量级，而且死区容量小，响应时间短，适合于微流体的精密测量和控制。目前国内外研究的微流量传感器依据工作原理可分为热式（包括热传导式和热飞行时间式）、机械式和谐振式3种。清华大学精密仪器系设计的阀片式微流量传感器通过阀片将流量转换为梁表面弯曲应力，再由集成在阀片上的压敏电桥检测出流量信号。该传感器的芯片尺寸为3.5mm3.5mm,在10ml200ml

26、/min的气体流量下,线性度优于5。荷兰Twente大学的 Rob.LegtenBerg等人利用薄膜技术和微机械加工技术制作了1对具有相对V型槽的谐振器芯片和顶盖芯片，利用低温玻璃键合技术将二者键合在一起，形成质量流量传感器，相对的V型槽形成流体通过流管。由于激励电阻和检测电桥产生的热量，使谐振器温度上升到高于环境温度的某一温度，如果有气流流过流管，对流换热使谐振器温度降低。气体流量不同，谐振器温度亦不同。由于谐振器和衬底材料不同，不同温度对应不同的内应力，因而可通过谐振频率的大小得到流量的大小。谐振器可以是微桥谐振器，也可以是方膜谐振器。研究表明，质量流量传感器的灵敏度与向衬底传导的热量和对

27、流换热之比有关。对相同材料制作的微桥谐振器和微方膜谐振器来说，后者向衬底传导的热量更多，因而其灵敏度较桥谐振器低。对它们制作的氮化硅桥谐振器来说，在压曲临界温度以下，灵敏度为4kHz/Sccm,在压曲温度以上为7kHz/Sccm。6.5 微气体传感器根据制作材料的不同，微气敏传感器分为硅基气敏传感器和硅微气敏传感器。其中前者以硅为衬底，敏感层为非硅材料，是当前微气敏传感器的主流。微气体传感器可满足人们对气敏传感器集成化、智能化、多功能化等要求。例如许多气敏传感器的敏感性能和工作温度密切相关，因而要同时制作加热元件和温度探测元件，以监测和控制温度。MEMS技术很容易将气敏元件和温度探测元件制作在

28、一起，保证气体传感器优良性能的发挥。谐振式气敏传感器不需要对器件进行加热，且输出信号为频率量，是硅微气敏传感器发展的重要方向之一。北京大学微电子所提出的1种微结构气体传感器，由硅梁、激振元件、测振元件和气体敏感膜组成。微梁被置于被测气体中后，表面的敏感膜吸附气体分子而使梁的质量增加，使梁的谐振频率减小。这样通过测量硅梁的谐振频率可得到气体的浓度值。对NO2气体浓度的检测实验表明，在01041104的范围内有较好的线性，浓度检测极限达到1106，当工作频率是19kHz时，灵敏度是1.3Hz/10 6。德国的M.Maute等人在SiNx悬臂梁表面涂敷聚合物PDMS来检测己烷气体，得到0.099Hz

29、/106的灵敏度。6.6 微机械温度传感器微机械传感器与传统的传感器相比，具有体积小、重量轻的特点，其固有热容量仅为108J/K1015J/K，使其在温度测量方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。我所开发了1种硅/二氧化硅双层微悬臂梁温度传感器。基于硅和二氧化硅两种材料热膨胀系数的差异，不同温度下梁的挠度不同，其形变可通过位于梁根部的压敏电桥来检测。其非线性误差为0.9，迟滞误差为0.45，重复性误差为1.63，精度为1.9。我所还研究了1种微谐振式温度传感器，其工作原理如下：环境温度变化时，悬臂梁谐振器材料的杨氏膜量和密度、梁的长度和厚度发生变化，因而谐振频率变化。长、宽、厚分别为300m、

30、50m、7m的微谐振式温度传感器，其灵敏度为1.5Hz/。6.7 其他微机械传感器利用微机械加工技术还可以实现其他多种传感器，例如瑞士Chalmers大学的PeterE等人设计的谐振式流体密度传感器，浙江大学研制的力平衡微机械真空传感器，中科院合肥智能所研制的振梁式微机械力敏传感器等。用MEMS技术加工制作的微结构传感器具有微型化、可集成化、阵列化、智能化、低功耗、低成本、高可靠性、易批量生产、可实现多点多参数检测等一系列优点，受到各国研究者的重视。尽管目前开发的传感器还有某些不足之处，例如灵敏度低、工作温区窄、精度不高。但是，随着科研工作者的深入研究，在不久的将来必有更多结构更新、性能更优异的实用化的传感器问世。结 论MEMS技术自晶体管时代的到来，在几十年的时间里迅速的发展壮大，将在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体。从最初的压力传感器到现在的汽车防撞气囊等先进的微型设备，已经普遍应用到各个领域，与传统的一些机械设备相比，MEMS具有不可超越的优势，诸如广义化特点、微型化特点、多样化特点、稳定性特点 、集成化特点、批量化特点。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