為了說明什么是微機(jī)電系統(tǒng)MEMS (Micro Electro Mechanical Systems),，首先來解釋一下什么是機(jī)電系統(tǒng),。20多年以前，汽車還是一個(gè)單純的機(jī)械系統(tǒng),，后來隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，汽車的很多零部件(例如電子點(diǎn)火器、燃油電子噴射裝置,、電控自動(dòng)變速箱等)都依靠電子系統(tǒng)進(jìn)行控制,，因此現(xiàn)在的汽車實(shí)際上就是一個(gè)大的機(jī)械電子系統(tǒng)。而微機(jī)電系統(tǒng)則是指微小的機(jī)械電子系統(tǒng),，例如比一?；ㄉ走€要小的飛機(jī)或汽車，是由很多只有幾百微米大小的零件組成的,，而這些零件是用微電子等微細(xì)加工技術(shù)制備出來的,，既包含機(jī)械部件又包含電子部件，因此我們稱這類微小的機(jī)械電子系統(tǒng)為微機(jī)電系統(tǒng),。

　　微機(jī)械電子系統(tǒng)是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,，它是將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，并將微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng),。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來,，它不僅能感受運(yùn)動(dòng)、光,、聲,、熱、磁等自然界的外部信號(hào),，使之轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以識(shí)別的電信號(hào),，而且還能通過電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，進(jìn)而發(fā)出指令,，控制執(zhí)行部件完成所需的操作,。

　　MEMS主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分,。作為輸入信號(hào)的自然界各種信息首先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),，經(jīng)過信號(hào)處理以后(模擬/數(shù)字)再通過微執(zhí)行器對(duì)外部世界發(fā)生作用。傳感器可以把能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,，從而將現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)(如熱,、運(yùn)動(dòng)等信號(hào))轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的信號(hào)(如電信號(hào)),。執(zhí)行器根據(jù)信號(hào)處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號(hào)處理器則可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,、放大和計(jì)算等處理,。美國AnalogDevice公司已經(jīng)研制出很多種將集成電路與MEMS集成在一起的集成微加速度計(jì)、微陀螺等產(chǎn)品,。

　　MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域,，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù),、機(jī)械技術(shù),、光學(xué)、物理學(xué),、化學(xué),、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué),、能源科學(xué)等,。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理,、新功能的元件和系統(tǒng),。

　　MEMS的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本,，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù),。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕,、功耗低,、成本低、可靠性高,、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn),，MEMS在航空、航天,、汽車,、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控,、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景,。例如微加速度計(jì)可以用于汽車的安全氣囊，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞等交通事故時(shí),，汽車的加速度會(huì)很大,，這時(shí)通過微加速度計(jì)可以判斷是否發(fā)生撞車事故。若發(fā)生交通事故，微加速度計(jì)即可以發(fā)出指令,，使安全氣囊及時(shí)彈出,，保護(hù)司機(jī)和乘客的安全,。又如,，微慣性傳感器及其組成的微型慣性測(cè)量組合系統(tǒng)能應(yīng)用于制導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制系統(tǒng),、汽車自動(dòng)駕駛儀,、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)和玩具,；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn),、傷員救護(hù)。MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療,、高密度存儲(chǔ)和顯示,、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子,，3mm大小的能夠開動(dòng)的小汽車，可以在磁場(chǎng)中飛行的像蝴蝶大小的飛機(jī)等,。

　　MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品正處在加速發(fā)展時(shí)期,，增長速度非常之高。預(yù)計(jì)到2000年,，全世界MEMS的市場(chǎng)將達(dá)到120～140億美元,，而與之相關(guān)的市場(chǎng)將達(dá)到1000億美元。

　　MEMS器件的主要種類

　　目前,，MEMS技術(shù)幾乎可以應(yīng)用于所有的行業(yè)領(lǐng)域,，而它與不同的技術(shù)結(jié)合，往往便會(huì)產(chǎn)生一種新型的MEMS器件,。正因?yàn)槿绱?，MEMS器件的種類極為繁雜。根據(jù)目前的研究情況,，除了進(jìn)行信號(hào)處理的集成電路部件以外,，微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部包含的單元主要有以下幾大類：

　　(1)微傳感器。微傳感器種類很多,，主要包括機(jī)械類,、磁學(xué)類、熱學(xué)類,、化學(xué)類,、生物學(xué)類等等，每一類中又包含有很多種。例如機(jī)械類中又包括力學(xué),、力矩,、加速度、速度,、角速度(陀螺),、位置、流量傳感器等,，化學(xué)類中又包括氣體成分,、濕度、PH值和離子濃度傳感器等,。

　　(2)微執(zhí)行器,。微執(zhí)行器主要包括微馬達(dá)、微齒輪,、微泵,、微閥門、微機(jī)械開關(guān),、微噴射器,、微揚(yáng)聲器、微可動(dòng)平臺(tái)等,。

　　(3)微型構(gòu)件,。三維微型構(gòu)件主要包括微膜、微梁,、微探針,、微齒輪、微彈簧,、微腔,、微溝道、微錐體,、微軸,、微連桿等。

　　(4)微機(jī)械光學(xué)器件,。這是一種利用MEMS技術(shù)制作的光學(xué)元件及器件,。目前制備出的微光學(xué)器件主要有微鏡陣列、微光掃描器,、微光閥,、微斬光器、微干涉儀,、微光開關(guān),、微變焦透鏡,、微外腔激光器、光編碼器等,。

　　(5)真空微電子器件,。它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物,，是一種采用已有的微細(xì)加工工藝在芯片上制造的集成化微型真空電子管或真空集成電路,。它主要由場(chǎng)致發(fā)射陣列陰極、陽極,、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成,。由于電子輸運(yùn)是在真空中進(jìn)行的，因此真空微電子器件具有極快的開關(guān)速度,、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前研究較多的真空微電子器件主要包括場(chǎng)發(fā)射顯示器,、場(chǎng)發(fā)射照明器件,、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等,。

　　(6)電力電子器件,。它主要包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件,。

　　現(xiàn)在,，已經(jīng)有很多很多種用途各異的MEMS器件相繼問世。目前,，微型馬達(dá)的實(shí)例較多,，其中德國采用LIGA技術(shù)制備的微型馬達(dá)比較成功，已用于微型直升機(jī)樣品,。

　　MEMS的主要加工工藝

　　目前,，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種。第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段,，即利用大機(jī)器制造小機(jī)器,，再利用小機(jī)器制造微機(jī)器的方法。第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對(duì)硅材料進(jìn)行加工,，形成硅基MEMS器件,。第三種是以德國為代表的LIGA(即光刻、電鑄和塑鑄)技術(shù),，它是利用X射線光刻技術(shù),，通過電鑄成型和塑鑄形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。上述第二種方法與傳統(tǒng)IC工藝兼容,，可以實(shí)現(xiàn)微機(jī)械和微電子的系統(tǒng)集成,，而且適合于批量生產(chǎn)，已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。LIGA技術(shù)可用來加工各種金屬,、塑料和陶瓷等材料,，并可用來制做深寬比大的精細(xì)結(jié)構(gòu)(加工深度可以達(dá)到幾百微米)，因此也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù),。LIGA技術(shù)自八十年代中期由德國開發(fā)出來以后得到了迅速發(fā)展,，人們已利用該技術(shù)開發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達(dá),、微加速度計(jì),、微射流計(jì)等。第一種加工方法可以用于加工一些在特殊場(chǎng)合應(yīng)用的微機(jī)械裝置,，如微型機(jī)器人,、微型手術(shù)臺(tái)等。下面主要介紹LIGA和硅MEMS技術(shù),。

　　1.LIGA技術(shù)　LIGA技術(shù)是將深度X射線光刻,、微電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)相結(jié)合的一種綜合性加工技術(shù)，它是進(jìn)行非硅材料三維立體微細(xì)加工的首選工藝,。

　　LIGA技術(shù)制作各種微圖形的過程主要由兩步關(guān)鍵工藝組成,，即首先利用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形，然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具,，再利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu),。LIGA技術(shù)為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬,、塑料和陶瓷零件組成的三維微機(jī)電系統(tǒng),，而用它制造的器件結(jié)構(gòu)具有深寬比大、結(jié)構(gòu)精細(xì),、側(cè)壁陡峭,、表面光滑等特點(diǎn)，這些都是其它微加工工藝很難達(dá)到的,。

　　2.硅基MEMS技術(shù)　以硅為基礎(chǔ)的微機(jī)械加工工藝也分為多種,，傳統(tǒng)上往往將其歸納為兩大類，即體硅加工工藝和表面硅加工工藝,。前者一般是對(duì)體硅進(jìn)行三維加工,，以襯底單晶硅片作為機(jī)械結(jié)構(gòu)；后者則利用與普通集成電路工藝相似的平面加工手段,，以硅(單晶或多晶)薄膜作為機(jī)械結(jié)構(gòu),。

　　在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中，最關(guān)鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術(shù),、鍵合技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等,。各向異性腐蝕技術(shù)是體硅微機(jī)械加工的關(guān)鍵技術(shù),。濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機(jī)械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。常用的進(jìn)行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等,，EPW和KOH對(duì)濃硼摻雜硅的腐蝕速率很慢,，因此可以利用各向異性腐蝕和濃度選擇腐蝕的特點(diǎn)將硅片加工成所需要的微機(jī)械結(jié)構(gòu)。利用化學(xué)腐蝕得到的微機(jī)械結(jié)構(gòu)的厚度可以達(dá)到整個(gè)硅片的厚度,，具有較高的機(jī)械靈敏度,，但該方法與集成電路工藝不兼容，難以與集成電路進(jìn)行集成,，且存在難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點(diǎn),。為了克服濕法化學(xué)腐蝕的缺點(diǎn)，采用干法等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)成為微機(jī)械加工技術(shù)的主流,。隨著集成電路工藝的發(fā)展,，干法刻蝕深寬比大的硅槽已不再是難題。例如采用感應(yīng)耦合等離子體,、高密度等離子體刻蝕設(shè)備等都可以得到比較理想的深寬比大的硅槽,。

　　鍵合技術(shù)是指不利用任何粘合劑，只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片,、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合技術(shù)雖然不是微機(jī)械結(jié)構(gòu)加工的直接手段,，卻在微機(jī)械加工中有著重要的地位,。它往往與其他手段結(jié)合使用，既可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐和保護(hù),，又可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)之間或機(jī)械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接,。在MEMS工藝中，最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù),，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù),，如硅化物鍵合、有機(jī)物鍵合等,。

　　表面犧牲層技術(shù)是表面微機(jī)械技術(shù)的主要工藝,，其基本思路為：首先在襯底上淀積犧牲層材料，并利用光刻,、刻蝕形成一定的圖形,，然后淀積作為機(jī)械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形，最后再將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉,，這樣就形成了懸浮的可動(dòng)的微機(jī)械結(jié)構(gòu)部件,。常用的結(jié)構(gòu)材料有多晶硅、單晶硅,、氮化硅,、氧化硅和金屬等,，常用的犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅,、光刻膠等,。

　　MEMS技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　根據(jù)MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀，人們對(duì)今后MEMS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了大量的預(yù)測(cè),，作為本文的小結(jié),，將大多數(shù)專家認(rèn)為的MEMS技術(shù)在今后的主要發(fā)展趨勢(shì)綜合如下：

　　(1)研究方向多樣化。從歷次大型MEMS國際會(huì)議的論文來看,，MEMS技術(shù)的研究日益多樣化,。MEMS技術(shù)涉及的領(lǐng)域主要包括慣性器件(如加速度計(jì)與陀螺)、原子力顯微鏡,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),、三維微型結(jié)構(gòu)的制作、微型閥門,、泵和微型噴口,、流量器件、微型光學(xué)器件,、各種執(zhí)行器,、微型機(jī)電器件性能模擬、各種制造工藝,、封裝鍵合,、醫(yī)用器件、實(shí)驗(yàn)表征器件,、壓力傳感器,、麥克風(fēng)以及聲學(xué)器件等。內(nèi)容涉及軍事,、民用等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,。

　　(2)加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統(tǒng)的體硅加工工藝,、表面犧牲層工藝,、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結(jié)合的加工工藝,、SCREAM工藝,、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝,、MAMOS工藝,、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等，而具體的加工手段更是多種多樣,。

　　(3)系統(tǒng)單片集成化,。一般傳感器的輸出信號(hào)(電流或電壓)很弱,，若將它連接到外部電路，則寄生電容,、電阻等的影響會(huì)徹底掩蓋有用的信號(hào),，因此采用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質(zhì)量很高的傳感器，只有把兩者集成在一個(gè)芯片上,，才能具有最好的性能,。

　　(4)MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮。MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于：MEMS器件芯片一般都有活動(dòng)部件,，比較脆弱,，在封裝前不利于運(yùn)輸。所以,，MEMS器件芯片制造與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮,。封裝技術(shù)是MEMS的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，幾乎每次MEMS國際會(huì)議都對(duì)封裝技術(shù)進(jìn)行專題討論,。

　　(5)普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途(如航空,、航天、軍事用)MEMS器件并存,。例如加速度計(jì),，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊等的具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的加速度計(jì),，也有要求精度為10－8g的,、可應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域的加速度計(jì)。對(duì)于陀螺,，也是有些情況要求其精度為0.1°/小時(shí)，有的則只要求10000°/小時(shí),。