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1、.MEMS技术及相关产品介绍 .目录1、MEMS的定义22、MEMS的历史23、MEMS的发展趋势3（1）传感MEMS技术：3（2）生物MEMS技术：4（3）信息MEMS技术：4（4）微型生物芯片：5（5）微型机器人：54、MEMS技术相关产品6MEMS加速度计6MEMS陀螺仪7MEMS麦克风8MEMS传感器95、展望10MEMS技术及相关产品介绍摘要：本文简述了MEMS技术的定义，回顾了MEMS技术的发展历史，列举了MEMS技术的发展趋势，并且重点介绍了MEMS相关产品，及对MEMS技术的展望。关键词：MEMS、微机电、机械系统、微细加工、传感器。1、MEMS的定义微电子机械系统即MEMS，
2、是MicroElectroMechanicalSystems的缩写，也可简称为微机电系统。MEMS是一类器件的统称，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。MEMS器件的特征长度从1毫米到1微米，1微米可是要比人们头发的直径小很多。微电子机械系统MEMS通常是一个包含有动能、弹性形变能、静电能或静磁能等多个能量域的复杂系统，主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是微电子系统与其它微型信息系统（各种能进行信息与能量传输和转换的系统）相结合的产物，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。2、MEMS的历史MEMS技术发展至今已经历40余年，开辟了一个全新
3、的技术领域和产业，就像近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻曲线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微
4、光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。目前MEMS产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张。推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的片上实验室生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。3、MEMS的发展趋势MEMS的发展趋势绝不局限于纯粹的器件物理范畴，而将是发展成一门多学科交叉的尖端学科：MEMS涉及电子、机械材料、制造、信息与自动控制、物理、化学与生物等多学科，并集约当今科学发展的许多尖端成果。（1）
5、 传感MEMS技术：在MEMS技术研究领域中，传感MEMS是指采用微电予和微机械加工技术制造出来的、特征尺寸至微米级、具有将感受量转换居电信号的器件和系统，包括：速度、加速度、压力、温度、湿度，气体、磁、光、声、生物、化学等传感MEMS。它是人类探知自然界的触角，是各种现代化装置中的神经元。信息技术是20世纪人类社会发展的重要资源和动力，作为信息采集技术的传感器技术、作为信息传输技术的通讯技术、作为信息处理技术的微处理器技术已成为现代信息技术的三大支柱。作为现代高新技术的传感器MEMS技术是现代传感器技术的重要发展方向。80年代后期MEMS技术的E速发展，极大的推动了微传感器技术和微执行器技术
6、的发展，采用MEMS技术制作的微传感器由于体积小、重量轻，成本低，功耗低高可靠、易于批量化生产、易于集成化和多功能化，是各种自动化装置发展和现代武器装备必不可少的关键技术，其应用领域十分广泛，因而受到世界各发达国家的高度重视。MEMS传感器（2） 生物MEMS技术：生物MEMS技术是一类应用MEMS加工技术制造的化学生物微型分析和检测芯片或仪器。它把生化检测过程中的进样反应分析，检测等功能通过在固相基片上的微反应器（微流体腔和微流体管道）实现。借助于MEMs加工技术制备的微阵列芯片是生物MEMS研究的重要研究。药物缓释芯片以及其它与生物医学诊断与治疗相关的芯片式微型装置和仪器也是生物MEMS的
7、研究内容。生物MEMS是一种典型的MEMS器件及系统，具有体积小、成本低，可标准化和批量化生产等特点。在功能上它具有获取信息量大、分析效率高、样品用量少，操作简便可实现生物和化学信息的实时自动化检测等特点，在生物医学、化工、制约、农业、环境监测、国家安全等许多研究和应用领域有重要的应用国际上生物MEMS的研究已成为热点，竞争十分激烈。（3） 信息MEMS技术：现代信息技术的基础和核心是微电子技术，从微电子技术二维加工发展成三维加工的MEMS技术，又对信息技术的新发展产生重大作用。人们有可能在一个芯片或微型系统上将信息获取、信息传输、处理和执行等功能集成起来。这类用于通信、多媒体，网络和智能等领
8、域中的MEMS技术成为信息MEMS技术信息MEMS器件可以取代现代信息领域中所采用的传统的器件，实现系统的微小型化和性能的更新换代。信息MEMS技术中已形成产业的有硬盘读写头、喷墨打印头、数字微镜阵列(DMD)等。以前的研究热点是全光通信和移动通信中的MEMS技术如MEMS光开关和RF MEMS开关等。（4） 微型生物芯片：微型生物化芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃上集成样品预处理器、微反应器微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等
9、优点，可广泛用于临床、环境监测，工业实时控制。（5） 微型机器人：由于电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也不断提高。科学家正研制微型机械人，能在桌面人小的地方组装营盘驱动器之类的精密小巧的产品军队也对这种机械人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃、到达敌军后方，为不远处的部队和千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的、可以大量部署。他们可以替代人进入难以进人或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。4、MEMS技术相关产品MEMS技术和集成电路技术的不同，没有CMOS这样的主流器件作为发展主线，MEMS具有多样性的自身特点，一种器件有一
10、种工艺。目前在MEMS市场占主流的是Si基工艺，而且是定制产品厂家，代工线处于发展之中。本文从MEMS进入产品时代高速发展期的特点出发，以进入新世纪并与信息产业相关的MEMS主流产品为切入点，并展望未来将发展的新产品，试图把握MEMS技术的发展现状与趋势。(1) MEMS加速度计1979年首次报道了成批制造的SiMEMS加速度计，早期商品化的MEMS加速度计采用压阻效应并用体Si微机械工艺实现。八十年代后期，随着表面Si微机械工艺和电容传感技术的进展，进而推动了九十年代初MEMS加速度计在汽车工业中的首次商品化应用。在九十年代后期，随着更加严格的汽车安全规制的加快执行，采用MEMS加速度计作传
11、感的防撞安全气囊在汽车中推广。进入新世纪，MEMS加速度计进一步推广到汽车翻转探测和电子稳定控制系统（ESP）。在2000年代后期，MEMS加速度计进入消费手持产品市场，其价格、尺寸和功耗满足该市场的需求，突破了超低功耗、超小体积、低成本、可大量生产的模拟和数字输出的三轴加速度计的关键技术，具有低g高性能、表面微机械电容式传感元、低应力衬底、控制传感元和电子芯片厚度和翘曲度的双片组装和试验及校准的大生产技术。目前在消费市场，三轴加速度计和三轴磁强计结合将用于个人导航，三轴加速度计和三轴MEMS陀螺相结合用个人的完整的运动传感。(2) MEMS陀螺仪1993年Si微机械梳齿谐振陀螺仪诞生。早期商
12、用的Si微机械陀螺是由永久磁铁来驱动，在新世纪初静电驱动的Si微机械陀螺的引入代替了它。2005年，第三代EPC系统中的传感单元由Si表面微机械陀螺仪替代了表面微机械加速度计和体微机械振荡质量块所构成的角速度传感器，电容式科里奥利振动陀螺仪和包含驱动及探测环路的ASIC电路相结合，使得第三代EPC系统具有更高精度、更好的信噪比、更适用和可靠。和加速度计相比，MEMS陀螺仪进入移动应用面临更大的挑战，因为它对封装应力效应极为敏感，它需要高精度、大驱动和高质量真空封装，且其价格较高，使其消费商用落后于加速度计。随着技术的进一步突破和价格的降低，MEMS陀螺仪最终将进入移动电话、视频游戏和摄像机市场
13、。陀螺仪的科研向高精度和集成化发展，在高精度MEMS陀螺的研究方面呈现多技术路线。采用双质量蝶形MEMS芯片、激励正反馈及探测负反馈双回路信号处理和真空陶封，实现高精度、高稳定MEMS陀螺，并且适应于各种复杂多变的环境。（3） MEMS麦克风上世纪八十年代就开始设计首个MEMS麦克风。麦克风是一个压力传感器的子集，其主要区别是麦克风同时要求超低压力范围和宽的频率响应操作。为达到MEMS麦克风所需的灵敏度，毫米尺度的隔膜必须非常薄，在0.1m的量级，几十年来，没有工艺可用来制造这样的隔膜。即使该微尺度的膜用传统压力传感器的材料和设计方法制造出来，其产生的谐振频率仅几十或几百赫兹，不能满足市场需求
14、。麦克风采用的传统技术是驻极体传感器。在上世纪90年代，手机和笔记本电脑演变成更复杂和强大的多媒体设备，需要支持在大范围的环境中实时音频和视频通信，这些新的应用需要小，薄，全匹配的麦克风，而且能和其他器件在标准的自动化生产线一起装配。市场需求和MEMS工艺和材料的进步使得MEMS麦克风商品化应运而生。2003年-2005年模拟输出的Si麦克风进入移动电话市场7，以表面微机械工艺制备的Si电容式传感芯片为主，比传统的驻极体传感头具有两个优点，能承受较高温度可适应表贴工艺，具有更小尺寸。2006年数字输出的MEMS麦克风进入笔记本电脑市场，MEMS麦克风不但能适应表贴，而且电脑设计者可将MEMS麦
15、克风安放在笔记本电脑的最佳声学位置，节省了防止RF和EM干扰的屏蔽电缆。目前市场的主流是由传感芯片和ASIC芯片构成的两芯片模块MEMS麦克风，突破了传感芯片的超薄层穿孔电极和背电极结构与工艺的优化设计，以及模块封装中传感芯片所需的合适的前后空气体积和声学端口的优化设计，模拟输出产品的信噪比达62dB，灵敏度达38dB，频率响应为50Hz-20KHz。由于移动电话和笔记本电脑市场的推动，预测2013年MEMS麦克风的销售将达10亿只。MEMS麦克风的科研向CMOS-MEMS技术方向发展，用该技术已研制出单芯片的MEMS麦克风，利用标准的CMOS加工线的工艺中淀积的金属/介质层，在电路的旁边制备MEMS传感元。该技术比两芯片的技术需要更小的Si芯片面积，导致更小和更低成本的MEMS麦克风。为克服Si电容式传感芯片易感性驱动和对潮湿暴露宽容度小的不足，利用AlN等压电材料制备的MEMS麦克风也在研究。（4） 错误！未找到图形项目表。MEMS传感器MEMS压力传感器是一种薄膜元件，受到压力时变形。可以利用应变仪(压阻型感测)来测量这种形变，也可以通过电容感测两个面之间距离的变化来加以测量。这两种方法都很流行，轮胎压力监测系统使用比较结实的压阻方法。 在汽车领域，引擎管理是其主要应用，包括汽油发动机中的歧管空气压力传感器
