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1、浙大-微电子机械系统（MEMS）综述 内 容：一、 MEMS概念二、 MEMS研究背景三、 MEMS发展史四、 最近国外MEMS发展的概况五、 最近国内MEMS发展的概况六、 MEMS研究内容七、 MEMS技术分类八、 MEMS技术的加工工艺九、 LIGA和准LIGA技术十、 MEMS最新研究方向十一、MEMS的最新应用十二、MEMS的未来十二、参考文献一、MEMS概念MEMS即Micro-Electro-Mechanical System，它是以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、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。日本国家MEMS中心给Mic
2、rosystem/Micromachine下的定义：A micro machine is an extremely small machine comprising very small(several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allows it to perform minute and complicated tasks。一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1m小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前
3、沿高技术，是未来的主导产业之一。MEMS技术自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要技术途径有三种，一是以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA( Lithograph galvanfomung und abformug)技术，；三是以日本为代表发展的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工。MEMS技术特点是：小尺寸（miniaturization）、多样化（multiplicity）、微电子（microelectronics），还有其他特点。（1）微型化：MEMS体积小（芯片的特征尺寸为纳米/微米
4、级）、质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。例如，一个压力成像器的微系统，含有1024个微型压力传感器，整个膜片尺寸仅为10mm10mm，每个压力芯片尺寸为50m50m。（2）多样化：MEMS包含有数字接口、自检、自调整和总线兼容等功能，具备在网络中应用的基本条件，具有标准的输出，便于与系统集成在一起，而且能按照需求，灵活地设计制造更多化的MEMS。（3）微电子化：采用MEMS工艺，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
5、定性很高的微电子机械系统。（4）MEMS技术适合批量生产：用硅微加工工艺在同一硅片上同时可制造出成百上千微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。（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、化学和生物等多学科，并集约当今科学发展的许多尖端成果。二、MEMS研究背景MEMS技术被誉为21世纪带有革命性的高新技术，它的诞生和发展是“需求牵引”和“技术推动”的综合结果。（一）需求牵引是MEME发展的源泉随着人类社会全面向信息化迈进，信息系统的微型化、多功能化和智能化是人们不断追求的目标，也是电子整机部门的迫切需求。信息系统的微型化不仅使系统体积大大减小
6、、功能大大提高，同时也使性能、可靠性大幅度上升，功耗和价格却大幅度降低。目前，信息系统的微型化不单是电子系统的微型化，如果相关的非电子系统小不下来，整个系统将难以达到微型化的目标。电子系统可以采用微电子技术达到系统微型化的目标，而对于非电子系统来说，尽管人们已做了很大努力，其微型化程度远远落后于电子系统，这已成为整个系统微型化发展的瓶颈。（二）技术推动是MEMS实现的保证MEMS技术设计微电子、微机械、微光学、新型材料、信息与控制，以及物理、化学、生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多高新技术成果。在一个衬底上将传感器、信号处理电路、执行器集成起来，构成微电子机械系统，是人们很早以来的愿望
7、。这个技术在1987年被正式提出，并在近10年来取得了迅速发展。推动力可归纳为以下3点：（1）以集成电路为中心的微电子学的飞跃进步提供了基础技术。在过去的40年中，集成电路的发展遵循摩尔定律，即按每3年特征尺寸减小0.7倍、集成度每3年翻一番的规律发展。据分析，IC特征尺寸的指数减小规律还将继续10 20年。目前，IC工艺已进入超深亚微米阶段，并可望到2012年达到0.05m，将研制生产巨大规模集成电路（GSI集成度大于109）和单片系统集成（SOC）。IC的发展将为研制生产MEMS提供坚实的技术基础。（2）MEMS的发展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。MEMS的基础技术主要
8、包括硅各向异性刻蚀技术、硅/硅键合技术、表面微机械技术、LIGA技术等，已成为研制生产MEMS必不可少的核心技术。尤其是20世纪90年代开发的LIGA技术，成功地解决了大深宽比光刻的难题，为研制开发三维微机械的加速度传感器、微型陀螺以及各类微执行器、微型构件如微马达、微泵、微推进器、微振子、微电极、微流量计等奠定了工艺技术基础。（3）新材料、微机械理论、加工技术的进步，使得单片微电子机械系统正在变为现实。由于MEMS技术的发展迅速，1987年决定把它从IEEE国际微机器人与过程操作年会分开，单独召开年会。目前在美、日、欧三地每年轮回一次，名为IEEE国际微机电系统年会（Micro Electr
9、o Mechanical Systems Workshop）。下表列出了19871996年来MEMS的研究概况。三、MEMS发展史【01】19世纪照相制版【02】1951年Braun发明shadow mask（影空版）（美，RCA公司）【03】1954年 压阻效应的发现【04】1962年结晶各相异性腐蚀【05】1963年半导体压力计（日本丰田研究所）【06】1967年 振动栅极晶体管（美，Westinghouse公司，利用牺牲层腐蚀方法）【07】1968年阳极键合（美，Mallory公司）【08】1969年杂质浓度依存性腐蚀【09】1970年硅微小电极（美，Stanford，硅细微结构体）【1
10、0】1973年导管用硅压力传感器（美，Stanford）【11】1973年微型离子敏场效应管（日本，东北大学）【12】1975年集成化气体色谱仪（美，Stanford，传感器+执行器）【13】1979年集成压力传感器（美，Michigan State University，传感器+电路）【14】1981年水晶微机械（日本，横河电机）【15】1986年LIGA工艺（原西德原子力研究所，高深宽比细微加工技术）【16】1986年硅伺服型加速度传感器（瑞士，CSEM电子与微技术中心）【17】1986年集成化微流量控制器（日本，东北大学，闭环控制的集成化）【18】1987年微型齿轮（美，Universi
11、ty of California, Berkeley，贝尔研究所）【19】1993 年 美国ADI公司采用该技术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。其中，1987年，在加州Berkeley和MIT，一个只有人的头发丝宽度大小的微型马达通过硅微加工被成功制造出来(基于表面牺牲层技术)，这标志着微机械时代的真正到来，这一点完全可以与三十多年前的微电子技术的出现相媲美。四、最近国外MEMS发展的概况美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜
12、器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛。（一）政府：1992 年“美国国家关键技术计划”把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会（NSF）把微米/纳米列为优先支持的项目。美国国防部先进研究计划署(DARPA)制订的微米/纳米和微系统发展计划，对“采用与制造微电子器件相同的工艺和材料，充分发挥小型化、多元化和集成微电子技术的优势，设计和制造新型机电装置”给予了高度的重视。日本在1992年启动了2.5亿美元的大型研究计划“微机械十年计划”。（二）企业：在MEMS的重点研究单位UC Berkeley成立了由多所大学和
13、企业组成的BSAC（Berkeley Sensor and Actuator）。ADI公司看到了微型加速度计在汽车领域应用的巨大前景，通过引入表面牺牲层技术，并加以改造，使微型加速度计的商品化获得巨大成功。（三）美国在发展初期确定军事应用为主要方向，侧重以惯性器件为代表的MEMS传感器的研究；日本重点发展进入工业狭窄空间微机器人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂。欧洲则重点发展TAS(Micro Total Analysis System全微分析系统)或LOC（Lab on Chip芯片实验室）。（四）重视基础技术的建设。各个国家十分重视设计、材料、加工、封装、测试等技术的发展。美国除在研
14、究单位建立独立的加工实验室外，还建立了专门为研究服务的加工基地，如MCNC、SANDIA国家实验室等。德国也建立了BOSCH实验室。五、最近国内MEMS发展的概况 我国MEMS的研究始于二十世纪八十年代末。经过十多年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区。其中,北京大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部开发出4种MEMS全套加工工艺和多种先进的单项工艺，已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS单位提供加工服务。上海交通大学所属微米/纳米加工技术重点实验室分部可以提供非硅材料的微加工服务，如L
15、IGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻(UV-LIGA)、高深宽比微电铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等。电子部十三所研究的融硅工艺也取得了较大进展，制备出微型加速度计和微型陀螺样品。1995年，国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”（1995 1999）。1999年，“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究发展规划的立项建议。经过十年发展，我国已开展了包括微型直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作。六、MEMS研究内容MEMS研究的内容极为广泛。其关键技术有设计技术、材料、制作工艺和测试技术。（一）设计技术MEMS产品设计包括系统、器件、电路和封装等设计。MEMS器件的设计需要综合多学科理论分析，这大大增加了设计参数选择的难度，常规分析计算已无法满足设计需要。计算机技术的进步使得CAD技术在MEMS器件设计中得到广泛的应用，采用CAD能设计出具有低成本、高性能、更为复杂的新型系统。2D和3D计算机绘图技术
