k微機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望

1、微機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望摘要：在過去的20多年中，MEMS已經(jīng)從早期的技術(shù)開發(fā)、設(shè)備探索和實(shí)驗(yàn)研究的階段發(fā)展到當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用階段，并逐擴(kuò)展到許多新的研究和探索領(lǐng)域，MEMS已經(jīng)成為21世紀(jì)最具研究潛力的研究領(lǐng)域之一。對(duì)MEMS進(jìn)行了簡要的介紹，包括應(yīng)用和市場情況以及3中主要的MEMS制造技術(shù)，即體微制造、面微制造和LICA技術(shù)。最后，提出了MEMS將來研究和發(fā)展的趨勢。引言：MEMS是一種具有毫米級(jí)尺寸和微米級(jí)分辨力的微細(xì)集成設(shè)備或系統(tǒng)，它通過微細(xì)加工技術(shù)在硅片或者其它基體上集成了機(jī)械零件、傳感器、執(zhí)行器和電子設(shè)備。MEMS本質(zhì)上是跨學(xué)科的，它利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、工程和制造技術(shù)，吸收了一系列技術(shù)

2、的優(yōu)點(diǎn)，包括集成電路制造技術(shù)、機(jī)械工程、材料學(xué)、電機(jī)工程、化學(xué)化工、生物技術(shù)、流體技術(shù)、光學(xué)、儀表和封裝技術(shù)等。應(yīng)該指出，MEMS技術(shù)的重要性不是在于其產(chǎn)品的尺寸，而是在于它所利用的微細(xì)加工技術(shù)。（1）MEMS的應(yīng)用工業(yè)上很成功的產(chǎn)品有基于MEMS的打印機(jī)噴墨頭、壓力傳感器、加速度計(jì)與數(shù)字光處理器（DLP）等。MEMS也適用于太空探索，2004年，中國將一顆由清華大學(xué)研制的納米衛(wèi)星NS-1送入太空，其質(zhì)量小于25Kg，通過應(yīng)用基于MEMS技術(shù)的微細(xì)零件，NS-1在綜合設(shè)計(jì)、制造以及MEMS器件的集成等試驗(yàn)中都取得了成功。表1列出了MEMS的一些典型應(yīng)用，它幾乎覆蓋了人們生活中的各個(gè)方面。 （2

3、）MEMS的制造目前，應(yīng)用于MEMS制造的微細(xì)加工技術(shù)都來源于IC產(chǎn)業(yè)。主流微制造工藝包括體微加工、面微加工個(gè)LIGA技術(shù)。此外，電子濺射加工(EDM)，襯底結(jié)合和光刻技術(shù)也廣泛應(yīng)用于MEMS的制造。體微加工體微加工技術(shù)指利用刻蝕工藝對(duì)塊狀硅進(jìn)行準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)的微加工?？涛g又分為采用液體刻蝕劑的濕刻法和采用氣體刻蝕劑，如等離子體的干刻蝕法。濕刻蝕法又分為各向同性刻蝕和各向異性可刻蝕。各向同性刻蝕法在硅片的所有方向均勻刻蝕，沿晶界面形成刻蝕邊緣；各向異性刻蝕法刻蝕速度與單晶硅的晶向有密切關(guān)系，刻蝕邊界是平滑變化的。一般而言，在非晶墨上的刻蝕是各項(xiàng)同性的，而在晶體膜上的刻蝕可能是各向異性的。體微加工可

4、以可以從襯底中加工出非常厚的MEMS特征結(jié)構(gòu)，但是，復(fù)雜或多層的結(jié)構(gòu)通常無法用體微加工制造。面微加工面微加工是一種通過沉積、掩模和刻蝕一系列1-00厚薄膜而制造MEMS器件的加工方法。這是一個(gè)不斷累疊逐層制造的過程，此過程中的材料在后續(xù)加工中會(huì)被有選擇性的留下或去除，而襯底大部分保持不變。該技術(shù)一般用于制造復(fù)雜的平面結(jié)構(gòu)與薄膜裝置（約2）。面微加工的一個(gè)主要特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)材料（如硅）與犧牲材料（如氧化層）組成的輪換層上進(jìn)行沉積。LIGA技術(shù)LIGA技術(shù)即光刻、電鍍和壓膜。圖1是LIGA制造過程的一個(gè)簡圖。這種方式可以制造出至cm級(jí)高度，且具有高深寬比的機(jī)構(gòu)。目前，LIGA技術(shù)已經(jīng)用于制造加速度計(jì)

5、、光耦合器和微射流裝置。盡管可以制造較復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，但是由于LIGA技術(shù)必須采用同步輻射X射線光源曝光，加工時(shí)間較長，工藝過程較復(fù)雜，價(jià)格昂貴，且制造帶有曲面的微結(jié)構(gòu)較困難等原因，人們正在研究開發(fā)相對(duì)廉價(jià)的三維微加工技術(shù)。（3）MEMS的發(fā)展趨勢細(xì)微化今年來，微型加速度計(jì)的研究引起了許多人的興趣，而MEMS尺寸也從m級(jí)邁向nm級(jí),于是, NEMS出現(xiàn)了。NEMS即納機(jī)電系統(tǒng)( nanoelectromechanical systems) ,它與MEMS很相似,但它是在nm尺度而不是m尺度上進(jìn)行加工的。RoukesM L認(rèn)為,今后可以造出質(zhì)量約10 - 18 g,截面尺寸約為10 nm的NEM

6、S裝置。這些裝置的極小尺寸將引起新的物理效應(yīng),并使傳統(tǒng)的加工方式失去效果,因此,需要開發(fā)新的制造技術(shù)。集成化MEMS即集成MEMS，它是由集成電路IC與MEMS以單片或多片芯片的形式緊密結(jié)合而形成的一種微集成系統(tǒng)。圖2是MEMS的摩爾定律。上條曲線是IC工業(yè)上著名的摩爾定律,它預(yù)言每隔18個(gè)月,集成電路上晶體管的密度將增加1倍,而集成電路的性能也將提升1倍。下條曲線代表MEMS的發(fā)展,它與IC工業(yè)摩爾定律所預(yù)言的趨勢十分相似,MEMS在未來的集成化程度將迅速提升。多元化MEMS在本質(zhì)上是跨學(xué)科的，如果與其他學(xué)科結(jié)合，它將會(huì)創(chuàng)造奇跡。另一方面，除硅外，其他材料也可以應(yīng)用在MEMS中，如合金、陶瓷

7、、聚合物、高溫材料（SiC，）、巨磁電阻和新開發(fā)的晶體與非晶體材料。利用新材料對(duì)MEMS進(jìn)行制造與封裝將是一個(gè)非常有潛力的研究領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)化盡管目前MEMS已經(jīng)在很多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,但與其他產(chǎn)業(yè)相比,其產(chǎn)量依然十分有限。隨著相應(yīng)技術(shù)與基礎(chǔ)研究的不斷積累,工業(yè)應(yīng)用與商業(yè)開發(fā)的加速,MEMS將加速發(fā)展,其市場潛力極其巨大。MEMS產(chǎn)業(yè)將在未來的幾年中發(fā)展成熟。MEMS將在標(biāo)準(zhǔn)化和高性價(jià)比2個(gè)方面邁向大規(guī)模生產(chǎn)。1)標(biāo)準(zhǔn)化:標(biāo)準(zhǔn)化是任何一個(gè)產(chǎn)業(yè)成長與成熟必不可少的過程。對(duì)制造MEMS的材料性能、加工效果以及在MEMS的設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化將決定MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的成功與否。2)高性價(jià)比:市場規(guī)