微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)

1、國際微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)況與趨勢、, 、-前言矽晶體技術(shù)已成功帶動電子系統(tǒng) (Electronic systems) 微小化及電腦革命性發(fā)展。相同地，近年機(jī)械系統(tǒng)(Mecha nical systems)亦邁入革命性微小化需求，藉 MEMS (Microelectromecha nical systems)及未來的 NEMS (Na noelectromecha nical systems)來製造微小化機(jī)電系統(tǒng)，俾能降低生產(chǎn)成本，減小尺寸與重量， 增高速度。有鑒於此，世界各國均積極從事 MEMS 技術(shù)之研究發(fā)展，預(yù)期在 2005 年創(chuàng)造微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)產(chǎn) 值達(dá) 123 億美元，應(yīng)用範(fàn)圍包括資訊、電腦

2、、生醫(yī)、保健、製造、運(yùn)輸、能源、航空、工安等產(chǎn)業(yè)。MEMS 相關(guān)技術(shù)一、積體化 (Monolithic) 製程技術(shù)MEMS 製程技術(shù)發(fā)展趨勢：由混合式製程 (hybrid processing) 逐漸邁向單積體化製程，亦即將所有組件 均積體化在單一晶片上，其優(yōu)點(diǎn)為：品質(zhì)改進(jìn)Canon公司為減少噴墨滴量(ink droplet volume)，必須藉monolithic技術(shù)將噴嘴基板(nozzle plate與噴嘴 積體化在同一製程上製造。降低封裝成本封裝成本直接影響產(chǎn)品在市場上競爭力， Motorola 擬將多種感測元件積體化成為同一單元俾減低封裝成 本而能應(yīng)用於汽車工業(yè)。配合互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)

3、體 (CMOS) 製程技術(shù) 藉運(yùn)用更多傳統(tǒng) CMOS 製程技術(shù)來生產(chǎn)高功能感測元件，如藉 CMOS 技術(shù)商品化指紋辨認(rèn)元件，加州 Veridicom Inc.公司預(yù)估此產(chǎn)品於2004年產(chǎn)值可達(dá)8億美元。簡化感測器之設(shè)計(jì) 過去加速度感測器之設(shè)計(jì)相當(dāng)複雜，其原因是必須將需移動之機(jī)械結(jié)構(gòu)與靜止之電子組件結(jié)合在同一晶 片上，麻州 MEMSIC Inc. 避開需依賴測定熱空氣自由對流之原先設(shè)計(jì)而採新穎設(shè)計(jì)，藉 CMOS 技術(shù)製成 熱電偶來直接量測溫度差異。二、快捷微雛型品 (Micro rapid proto-typing) 技術(shù)在 MEMS 範(fàn)疇領(lǐng)域中，快捷微雛型品技術(shù)由於能融合電腦輔助設(shè)計(jì)軟體與新奇

4、光學(xué)及熱量製程技術(shù)， 以層層 (layer-by-layer) 方式可真正地將電腦螢?zāi)簧显O(shè)計(jì)圖像趨近成三因次生產(chǎn) ，例如可用來開發(fā)鑄造及 解析用雛型品模型，並且能與微模具 (micro-molding) 互配運(yùn)用。此外，由於其使用雷射光加熱，故藉使 用更小光點(diǎn)便可進(jìn)一步減低元件尺寸，因此非常適合製作其他技術(shù)無法製造之微小尺寸微模具。先進(jìn)國家目前研發(fā)現(xiàn)況：德國Micro TEC-D GmbH是以開發(fā)及生產(chǎn)微系統(tǒng)技術(shù)為主，使用 CAD (電腦輔助設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)參數(shù)提供給 CNC (數(shù)值控制器 )，控制雷射束在元件表面上掃瞄使指定位置液態(tài)高分子固化，用來建構(gòu)精緻結(jié)構(gòu)，每 層僅為 1微米厚，若使用多光束雷

5、射及光罩技術(shù)，則容許平行大量生產(chǎn)，每天產(chǎn)能可達(dá) 1 萬件，產(chǎn)品尺 寸可達(dá)505050毫米。此技術(shù)主要應(yīng)用於耳蝸零件、電子封裝、微流體及微光學(xué)。美國加州 MEMGen 開發(fā) EFAB 製程技術(shù)，目前此技術(shù)由於需進(jìn)行電鍍故僅限用於金屬材料。適用於生 產(chǎn) RF-MEMS ( 微波微機(jī)電 ) 元件，目前正在開發(fā)金屬模具來生產(chǎn)生醫(yī)用塑膠零組件，該公司亦在開發(fā)其 他材料之製程技術(shù)。日本 Osaka 大學(xué)研究以鈦酸鋁脈衝雷射產(chǎn)生雙光子吸收技術(shù)來固化光熱化高分子而生產(chǎn)固體元件，已成 功開發(fā)直徑僅為 300 奈米之微小彈簧，但目前僅能批量製造，尚未商品化。三、MEMS 封裝 (packaging) 技術(shù)封裝技術(shù)

6、之挑戰(zhàn)專家公認(rèn) MEMS 製程目前面臨最大困難與挑戰(zhàn)為封裝技術(shù)，其與電子元件僅需傳輸電子訊號不同，某 些 MEMS 元件需要接收及發(fā)射光束，有些元件要能偵測特殊化學(xué)分子，甚至要辨識有害 DNA ，有些元 件需在奈米尺度移動或操控物體，由於 MEMS 元件必須與外界連結(jié)但又不能受外界環(huán)境因子干擾及侵 害，因而增加 MEMS 封裝難度或提高成本。造成設(shè)計(jì)困難並且不可能開發(fā)為單一封裝製程，現(xiàn)舉兩個(gè) MEMS 元件之封裝例加以說明：安全氣囊電子傳訊 此類加速器僅需提供車體在碰撞瞬間加減速度變化所造成梳狀彎曲，改變兩電極間距促使電容值改變， 將此電子訊號傳出即可，由於僅需傳輸電子訊號故封裝因可完全封死，

7、因此設(shè)計(jì)不太困難。但封裝必須 不能干擾內(nèi)部機(jī)械移動件並且封裝方向性非常重要，不可有偏轉(zhuǎn)且具低應(yīng)力避免減低元件靈敏度。噴射微墨元件噴射微墨元件之封裝亦有其獨(dú)特性，首先封裝不能影響微噴嘴 (micro jet nozzles) 系統(tǒng)噴射微墨，但 MEMS 晶片之連接地帶必須受保護(hù)，特別是墨汁不能受環(huán)境影響及搬運(yùn)損害。產(chǎn)品封裝等級由於所有 MEMS 產(chǎn)品均具移轉(zhuǎn)性零組件，依移動方式及行程的不同而決定需採不同之適宜封裝，下表 列出幾種基本運(yùn)動模式，其順序亦表封裝困難度之增高：零件扭曲變形，並無運(yùn)動的情形零件無磨擦，但有運(yùn)動運(yùn)動零件無撞擊，但有磨擦帶有撞擊的運(yùn)動零件運(yùn)動零件含有磨擦與撞擊此外，MEMS元

8、件在滑動及轉(zhuǎn)動時(shí)由於是在微小尺度空間中進(jìn)行其轉(zhuǎn)速可高達(dá) 1百萬rpm而造成元件磨 耗，通常不能藉潤滑油來減低磨擦，可使用水分子為潤滑劑，但保持適宜相對濕度 20% 到 60%則為非 常重要，如何能長期維持恆濕仍待解決。封裝概念雖然前述每一不同特定用途 MEMS 產(chǎn)品均需採不同之封裝技術(shù) ，但仍須擁有一般封裝設(shè)計(jì)概念 ， MEMS 元件有一相同要求，亦即封裝不能使移動性組件之活動受阻，通?？山逶O(shè)計(jì)一個(gè)通用之封帽 (cap) 來達(dá) 成。四、LIGA (Lithographie Galvanovormug)LIGA 製程第一篇敘述文章是發(fā)表於 1 980年代中期，自此有許多國家投入研究，其中德國最突

9、出，使LIGA 技術(shù)得以商品化應(yīng)用，主要產(chǎn)品包括分光儀、呼吸器及微小馬達(dá)。藉 LIGA 及其他不同微製造技 術(shù)可開發(fā)出成本效益製程來量產(chǎn)上述及其他產(chǎn)品 。在 MEMS 領(lǐng)域 LIGA 可開發(fā)為關(guān)鍵製程技術(shù)或?yàn)槎嗔?高階機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)。在關(guān)鍵方面，最終產(chǎn)品銷售公司必須擁有及自行運(yùn)作 LIGA 製造廠，但在量產(chǎn)市場 方面 LIGA 製造廠可為供應(yīng)廠，並且擁有其他 MEMS 技術(shù) 所需設(shè)備 LIGA 與其他微製造技術(shù)相同，必須擁有一系列製程才能生產(chǎn)出最後產(chǎn)品，以製造微小金屬零件或金屬 工具為例，所需 LIGA 製程步驟：CAD及LIGA光罩佈局f 鉻光罩製造f LIGA光罩製造f 基板及光阻f X-r

10、ay同步曝光f顯影f電鍍 -平坦化雛型品生產(chǎn)障礙LIGA 製程商品化除了遭遇 X-ray 同步設(shè)備及 LIGA 工具獲得困難外，尚存有其他生產(chǎn)障礙，包括： 成本、產(chǎn)能及可靠度使用標(biāo)準(zhǔn)LIGA製程，所生產(chǎn)之金屬LIGA產(chǎn)品成本太高，以Sandia為例，生產(chǎn)一片3吋或4吋LIGA 晶圓需 1萬美元，祗能應(yīng)用於高價(jià)位產(chǎn)品，或用來製作量產(chǎn)產(chǎn)品的模具。產(chǎn)能是減低成本及多量產(chǎn)品化 之驅(qū)動力，藉多量製程可加快回收初期投資於新同步輻射源之巨資，此外因缺乏製程經(jīng)驗(yàn)，LIGA 製程可靠度亦面臨挑戰(zhàn)。產(chǎn)品可靠度、組裝及封裝 通常產(chǎn)品可靠度是依賴優(yōu)異之檢測來管控良率，目前首需突破檢測設(shè)備及檢測時(shí)間兩項(xiàng)瓶頸，此外目前

11、LIGA 零件均以人工方式組合，宜發(fā)展機(jī)器人，並且欲使 LIGA 商品化應(yīng)用必須有完整之封裝技術(shù)包括 黏合、密封、振動隔離等。技術(shù)突破為使LIGA成為成本效益製造技術(shù)，Sandia從事下述兩項(xiàng)技術(shù)突破：含金屬性的複製 ：目前雖有文獻(xiàn)說明 LIGA 金屬模具在塑膠成型應(yīng)用方面 ，可用熱壓及射出成型來製造， 但重複製造LIGA金屬模具仍為困難，Sandia努力研究項(xiàng)目包括藉金屬奈米質(zhì)粒來進(jìn)行含金屬性的複製 。 拋光成型：新趨勢的製造設(shè)備是用可變換尺寸的平滑內(nèi)徑機(jī)構(gòu)產(chǎn)生二度空間形狀的內(nèi)徑金屬 LIGA 物 件，這種設(shè)備用來拋光丙烯酸樹脂 (PMMA) 桿形料至需求的幾何形狀。然後此桿形料參含金屬、電

12、 鍍及 PMMA 的溶解成為最終具有非常平滑及複雜內(nèi)徑的管形產(chǎn)品。在 LIGA 產(chǎn)品中，它將成為一種用 低成本而達(dá)成多樣複雜幾何形體的新突破。商品發(fā)展?fàn)顩r過去數(shù)年 MEMS and MST (Micro-systems technologies產(chǎn)業(yè)有很大的成長，根據(jù) Roger Grace Associates 市場分析報(bào)告，全球MEMS/MST市場在1998年為140億美元，2002年達(dá)380億美元，目前全球?qū)ｉT 從事MEMS /MST研究發(fā)展之大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及公司超過 600餘家，已建立非常強(qiáng)實(shí)研究能量，製程 技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備，已具商品化之 MEMS/MST產(chǎn)品發(fā)展時(shí)程說明於下表。工研院機(jī)械

13、所已建立完整 MEMS 研發(fā)能量，技術(shù)與設(shè)備，並掌握國際相關(guān)發(fā)展趨勢市場資訊及拓展國 際合作研究，期能為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)在 MEMS 技術(shù)發(fā)展方面提供更多實(shí)質(zhì)的服務(wù)。本文 MEMS 相關(guān)性資料由工研院北美公司鮮其振博士及吳伯奮博士提供，機(jī)械所國合與新事業(yè)室整理可以幫我介紹一下 MEMS 嗎 發(fā)問者： JPK-King ( 初學(xué)者 5 級) 發(fā)問時(shí)間： 2006-09-01 11:59:58解決時(shí)間： 2006-09-11 09:22:32 解答贈點(diǎn)： 20 ( 共有 0 人贊助 )評價(jià)： 正面： 100% 普通：0% 負(fù)面：0% ( 共有 5 人評價(jià) ) 回答： 2 評論： 0 意見： 1 檢舉 可以

14、幫我介紹一下 MEMS 嗎MEMS 是什麼意思 他是做什麼用 用在什麼地方2006-09-01 13:32:48 補(bǔ)充真對不起大大 .我還是看不懂 有沒有更白話一點(diǎn)的 .2006-09-02 19:50:55 補(bǔ)充那就是整合型的控制 IC 是嗎最佳解答發(fā)問者自選 回答者： charley ( 研究生 2 級 ) 回答時(shí)間： 2006-09-01 21:26:01 檢舉 什麼是”微機(jī)電系統(tǒng)” (MEMS)?一、微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的定義及由來(一 ) 微機(jī)電系統(tǒng)的定義目前微機(jī)電系統(tǒng)是世界各國積極介入的一個(gè)新興領(lǐng)域，所以各地區(qū)的定義都不大相同，在歐洲稱之為微 系統(tǒng)技術(shù) (Micro-syst

15、em Technology，MST) ，其定義為一個(gè)智慧型微小化的系統(tǒng)包含感測、處理或致動的 功能，包含兩個(gè)或多個(gè)電子、機(jī)械、光學(xué)、化學(xué)、生物、磁學(xué)或其他性質(zhì)整合到一個(gè)單一或多晶片上。 在美國稱之為微機(jī)電系統(tǒng) (Micro-electromechanical Systems，MEMS) ，其定義為整合的微元件或系統(tǒng)，包 含利用 IC 相容批次加工技術(shù)製造的電子和機(jī)械零件，該元件或系統(tǒng)的大小從微米到毫米。在日本則稱 作微機(jī)械(Micro-machines)，定義為體積很小且能執(zhí)行複雜微小工作具功能性之零件的元件。行政院國家科學(xué)委員會科學(xué)技術(shù)資料中心所採行的定義，則是以美國的定義為主，並再囊括歐洲

16、 及日本的定義而成微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，其技術(shù)包括以矽為基礎(chǔ)的技術(shù)、 LIGA( 光刻、電鑄、模造技術(shù)等技 術(shù)，其又可分為雷射 LIGA 與 X 光 LIGA 兩種技術(shù) )及其他傳統(tǒng)技術(shù)。主要係利用系統(tǒng)技術(shù)、微技術(shù)及材 料與效應(yīng)技術(shù)，製造出微感測器、訊號處理機(jī)及微引動器等；其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，包括製造業(yè)、自動 化、資訊與通訊、航太工業(yè)、交通運(yùn)輸、土木營建、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)林漁牧、醫(yī)療福祉等等行業(yè)。一般而言對於能夠把每個(gè)微元件結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)本身定義在卩m( 10E-6公尺)範(fàn)圍，或是微結(jié)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動範(fàn)圍能夠達(dá)到卩m的精準(zhǔn)度或位移量，在這樣的精度與尺寸範(fàn)圍內(nèi)的微元件我們皆可以稱之為微 機(jī)電元件，而把這些微機(jī)電元

17、件與其他周邊 IC 組成的系統(tǒng)稱為微機(jī)電系統(tǒng)。(二) 微機(jī)電系統(tǒng)的由來微機(jī)電系統(tǒng)，是目前科技界公認(rèn)最具未來發(fā)展?jié)摿扒罢暗难芯款I(lǐng)域。而 MEMS 的發(fā)展由來，根源於 1960年代中期利用半導(dǎo)體製程製造機(jī)械結(jié)構(gòu)於矽晶片上的概念被提出後 ，吸引了許多人投入該技術(shù)的研 究。到了 1970年代中期，利用該技術(shù)製造結(jié)合機(jī)械和電子元件的半導(dǎo)體感測器，成功地被開發(fā)。 1980 年後，和該技術(shù)相關(guān)的研究，如雨後春筍般的被提出，而研究內(nèi)容也不侷限於感測器，還包含一些複雜 的機(jī)構(gòu)與元件，如幫浦、閥門、齒輪、馬達(dá)、夾子等等。由於這項(xiàng)技術(shù)的逐漸成熟以及應(yīng)用的範(fàn)圍逐漸 擴(kuò)大，研究人員已將目標(biāo)訂在發(fā)展一個(gè)完整的微型系統(tǒng)，

18、系統(tǒng)包含感測、致動、訊號處理、控制等多項(xiàng) 功能，例如微型機(jī)器人和微型硬碟機(jī)，希望能夠像半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)一般成為本世紀(jì)革命性的技術(shù)。二、微機(jī)電系統(tǒng)的製造技術(shù)半導(dǎo)體製程概分為三類： (1)薄膜成長， (2)微影罩幕， (3)蝕刻成型。而微機(jī)電元件的製造技術(shù)則是利用 目前的半導(dǎo)體製造技術(shù)為基礎(chǔ)再加以延伸應(yīng)用 ，其製造技術(shù)的彈性與變化比一般的 IC 製造技術(shù)來的大， 從薄膜成長，黃光微影罩幕，乾濕蝕刻成型等製程都在微機(jī)電製程的應(yīng)用範(fàn)疇，再配合其他新發(fā)展的精 密加工與矽微加工技術(shù)，包括異方性蝕刻，電鑄， LIGA等技術(shù)，而成現(xiàn)在所發(fā)展的微機(jī)電元件的製 造技術(shù)。而整個(gè)系統(tǒng)的完成則是靠各個(gè)關(guān)鍵元件的整合 ，再加上

19、最後系統(tǒng)的封裝測試 ，也是重要的步驟。 其中在矽微加工技術(shù)方面，又可分為體型微加工技術(shù)、面型微加工技術(shù)以及 LIGA 技術(shù)三種加工技術(shù)。資料來源 .tw/lw0309/參考資料.tw/lw0309/ 快速連結(jié) 其它回答( 1 ) | 意見( 1 ) | 評論( 0 )知識評價(jià)發(fā)問者評價(jià)：THS 網(wǎng)友評價(jià)：正面： 100% 普通：0% 負(fù)面：0% （ 共有 5 人評價(jià) ）回答者： Dickson （ 初學(xué)者 4 級 ）回答時(shí)間：2006-09-01 12:20:15 檢舉 微機(jī)電系統(tǒng) （MEMS） 係指應(yīng)用微米及以下尺寸

20、加工技術(shù)，以研製微細(xì)元件及組件，並整合微電 子電路或微控制的系統(tǒng)，是目前飛躍發(fā)展的微米 /納米技術(shù)中一項(xiàng)十分重要的成果。由於可以如晶片般大 量生產(chǎn)以降低成本，加上具有可強(qiáng)化功能、性能及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛之優(yōu)勢，為今日科技界公認(rèn)最具發(fā)展?jié)?力及前瞻性的研究領(lǐng)域。MEMS 技術(shù)的研究涉及微電子、材料、物理 （力學(xué)及流體力學(xué)等 ）、化學(xué)、生物、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。 它的學(xué)科面也擴(kuò)大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、原子、表面等物理學(xué)的各分支，乃至化學(xué)、生物、 醫(yī)學(xué)和儀器等各領(lǐng)域，學(xué)科交叉很強(qiáng)，研究難度較大及複雜。微機(jī)電系統(tǒng) （Micro-Electro-Mechanical System; MEMS） 是國際認(rèn)定為廿一世紀(jì)主流核心製造技術(shù)之一，也 是最具發(fā)展?jié)摿εc前瞻性的研究領(lǐng)域之一。微感測器、微結(jié)構(gòu)、微制動器、微加工等等都是屬於微機(jī)電 的範(fàn)疇。它是繼電子元件與系統(tǒng)微小化對人類生活造成革命性影響之後，試圖將機(jī)械元件或系統(tǒng)