為了說明什么是微機電系統(tǒng)MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)，首先來解釋一下什么是機電系統(tǒng),。20多年以前,，汽車還是一個單純的機械系統(tǒng)，后來隨著電子技術的發(fā)展,，汽車的很多零部件(例如電子點火器,、燃油電子噴射裝置、電控自動變速箱等)都依靠電子系統(tǒng)進行控制,，因此現(xiàn)在的汽車實際上就是一個大的機械電子系統(tǒng),。而微機電系統(tǒng)則是指微小的機械電子系統(tǒng)，例如比一?；ㄉ走€要小的飛機或汽車,，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加工技術制備出來的,，既包含機械部件又包含電子部件,，因此我們稱這類微小的機械電子系統(tǒng)為微機電系統(tǒng)。
微機械電子系統(tǒng)是微電子技術的拓寬和延伸,，它是將微電子技術和精密機械加工技術相互融合,，并將微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機地聯(lián)系起來,，它不僅能感受運動,、光、聲,、熱,、磁等自然界的外部信號，使之轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以識別的電信號,，而且還能通過電子系統(tǒng)控制這些信號,，進而發(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)行器和相應的處理電路三部分。作為輸入信號的自然界各種信息首先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,，經(jīng)過信號處理以后(模擬/數(shù)字)再通過微執(zhí)行器對外部世界發(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)實世界的信號(如熱,、運動等信號)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的信號(如電信號),。執(zhí)行器根據(jù)信號處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號處理器則可以對信號進行轉(zhuǎn)換,、放大和計算等處理,。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,、微陀螺等產(chǎn)品。
MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域,，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域,，如電子技術、機械技術,、光學,、物理學、化學,、生物醫(yī)學,、材料科學、能源科學等,。MEMS技術的目標是通過系統(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)展開辟了一個全新的技術領域和產(chǎn)業(yè),。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務,。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)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,，MEMS在航空,、航天、汽車,、生物醫(yī)學,、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景,。例如微加速度計可以用于汽車的安全氣囊,，當汽車發(fā)生碰撞等交通事故時,，汽車的加速度會很大,，這時通過微加速度計可以判斷是否發(fā)生撞車事故。若發(fā)生交通事故,，微加速度計即可以發(fā)出指令,，使安全氣囊及時彈出，保護司機和乘客的安全,。又如,，微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合系統(tǒng)能應用于制導系統(tǒng),、衛(wèi)星控制系統(tǒng)、汽車自動駕駛儀,、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,、傷員救護,。MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示,、光譜分析,、信息采集等等。現(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子,，3mm大小的能夠開動的小汽車,，可以在磁場中飛行的像蝴蝶大小的飛機等。
MEMS技術及其產(chǎn)品正處在加速發(fā)展時期,，增長速度非常之高,。預計到2000年，全世界MEMS的市場將達到120～140億美元,，而與之相關的市場將達到1000億美元,。
MEMS器件的主要種類
目前，MEMS技術幾乎可以應用于所有的行業(yè)領域,，而它與不同的技術結(jié)合,，往往便會產(chǎn)生一種新型的MEMS器件。正因為如此,，MEMS器件的種類極為繁雜,。根據(jù)目前的研究情況，除了進行信號處理的集成電路部件以外,，微機電系統(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，主要包括機械類,、磁學類,、熱學類、化學類,、生物學類等等,，每一類中又包含有很多種。例如機械類中又包括力學,、力矩,、加速度、速度、角速度(陀螺),、位置,、流量傳感器等，化學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,、微齒輪、微泵,、微閥門,、微機械開關、微噴射器,、微揚聲器,、微可動平臺等。
(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)微機械光學器件。這是一種利用MEMS技術制作的光學元件及器件,。目前制備出的微光學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,、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,、MEMS技術和真空電子學發(fā)展的產(chǎn)物,，是一種采用已有的微細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,。由于電子輸運是在真空中進行的，因此真空微電子器件具有極快的開關速度,、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發(fā)射顯示器、場發(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技術制作的垂直導電型MOS(VMOS)器件,、V型槽垂直導電型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，微型馬達的實例較多,，其中德國采用LIGA技術制備的微型馬達比較成功,，已用于微型直升機樣品。
MEMS的主要加工工藝
目前,，常用的制作MEMS器件的技術主要有三種,。第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段，即利用大機器制造小機器,，再利用小機器制造微機器的方法,。第二種是以美國為代表的利用化學腐蝕或集成電路工藝技術對硅材料進行加工，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，它是利用X射線光刻技術,，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，可以實現(xiàn)微機械和微電子的系統(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。LIGA技術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結(jié)構(gòu)(加工深度可以達到幾百微米)，因此也是一種比較重要的MEMS加工技術。LIGA技術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,，人們已利用該技術開發(fā)和制造出了微齒輪,、微馬達、微加速度計,、微射流計等,。第一種加工方法可以用于加工一些在特殊場合應用的微機械裝置，如微型機器人,、微型手術臺等,。下面主要介紹LIGA和硅MEMS技術。
1.LIGA技術 LIGA技術是將深度X射線光刻,、微電鑄成型和塑料鑄模等技術相結(jié)合的一種綜合性加工技術,，它是進行非硅材料三維立體微細加工的首選工藝。
LIGA技術制作各種微圖形的過程主要由兩步關鍵工藝組成,，即首先利用同步輻射X射線光刻技術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技術為MEMS技術提供了一種新的加工手段,。利用LIGA技術可以制造出由各種金屬、塑料和陶瓷零件組成的三維微機電系統(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、側(cè)壁陡峭,、表面光滑等特點,，這些都是其它微加工工藝很難達到的。
2.硅基MEMS技術 以硅為基礎的微機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。前者一般是對體硅進行三維加工,，以襯底單晶硅片作為機械結(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)薄膜作為機械結(jié)構(gòu),。
在以硅為基礎的MEMS加工技術中,，最關鍵的加工工藝主要包括深寬比大的各向異性腐蝕技術、鍵合技術和表面犧牲層技術等,。各向異性腐蝕技術是體硅微機械加工的關鍵技術,。濕法化學腐蝕是最早用于微機械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。常用的進行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等,，EPW和KOH對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將硅片加工成所需要的微機械結(jié)構(gòu),。利用化學腐蝕得到的微機械結(jié)構(gòu)的厚度可以達到整個硅片的厚度，具有較高的機械靈敏度,，但該方法與集成電路工藝不兼容,，難以與集成電路進行集成，且存在難以準確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點,。為了克服濕法化學腐蝕的缺點，采用干法等離子體刻蝕技術已經(jīng)成為微機械加工技術的主流,。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。例如采用感應耦合等離子體,、高密度等離子體刻蝕設備等都可以得到比較理想的深寬比大的硅槽,。
鍵合技術是指不利用任何粘合劑，只是通過化學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,。鍵合技術雖然不是微機械結(jié)構(gòu)加工的直接手段，卻在微機械加工中有著重要的地位,。它往往與其他手段結(jié)合使用,，既可以對微結(jié)構(gòu)進行支撐和保護，又可以實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)之間或機械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學連接,。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，最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術,，如硅化物鍵合,、有機物鍵合等。
表面犧牲層技術是表面微機械技術的主要工藝,，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的微機械結(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技術的發(fā)展趨勢
根據(jù)MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀,，人們對今后MEMS技術的發(fā)展進行了大量的預測，作為本文的小結(jié),，將大多數(shù)專家認為的MEMS技術在今后的主要發(fā)展趨勢綜合如下：
(1)研究方向多樣化,。從歷次大型MEMS國際會議的論文來看，MEMS技術的研究日益多樣化,。MEMS技術涉及的領域主要包括慣性器件(如加速度計與陀螺),、原子力顯微鏡、數(shù)據(jù)存儲,、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,、微型光學器件、各種執(zhí)行器,、微型機電器件性能模擬,、各種制造工藝、封裝鍵合,、醫(yī)用器件,、實驗表征器件、壓力傳感器,、麥克風以及聲學器件等,。內(nèi)容涉及軍事、民用等各個應用領域,。
(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(電流或電壓)很弱,，若將它連接到外部電路，則寄生電容,、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號,，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部件，比較脆弱,，在封裝前不利于運輸,。所以，MEMS器件芯片制造與封裝應統(tǒng)一考慮,。封裝技術是MEMS的一個重要研究領域,，幾乎每次MEMS國際會議都對封裝技術進行專題討論。
(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,，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應用于汽車安全氣囊等的具有很高經(jīng)濟價值的加速度計,，也有要求精度為10－8g的,、可應用于航空航天等高科技領域的加速度計。對于陀螺,，也是有些情況要求其精度為0.1°/小時,，有的則只要求10000°/小時。