微电子机械系统MEMS综述.docx
《微电子机械系统MEMS综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子机械系统MEMS综述.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
微电子机械系统MEMS综述
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-MechanicalSystem，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Microsystem/Micromachine下的定义：
Amicromachineisanextremelysmallmachinecomprisingverysmall（severalmillimetersorless）yethighlysophisticatedfunctionalelementsthatallowsittoperformminuteandcomplicatedtasks。
一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm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（Lithographgalvanfomungundabformug）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10mm×10mm，每个压力芯片尺寸为50μm×50μm。
（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、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。
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0.05μm，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（MicroElectroMechanicalSystemsWorkshop）。
下表列出了1987~1996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shadowmask（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）
【10】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，MichiganStateUniversity，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，UniversityofCalifornia,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UCBerkeley成立了由多所大学和企业组成的BSAC（BerkeleySensorandActuator）。
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μTAS（MicroTotalAnalysisSystem全微分析系统）或LOC（LabonChip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LIGA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计算机绘图技术的发展能够对复杂的MEMS结构及版图进行计算机设计，有限元分析技术的应用可以用精确的计算机数值求解方法来分析和预测器件的性能，对器件的静态、准静态和动态模拟成为可能，从而使我们能够对MEMS器件的结构和工艺进行计算机模拟和设计优化。
（二）材料
MEMS应用的材料主要有三种：
单晶硅和多晶硅，压电材料和其他类型合成材料。
（1）硅材料：
硅的机械性能好，硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导性接近钼和钨。
19世纪60年代，MEMS刚出现时，IC工业应用的半导体材料只有单晶硅衬底和多晶硅薄膜两种材料。
（2）压电材料：
开发研究表明，压电材料是制作MEMS的良好材料。
MEMS材料的一个明显的变化是用单晶石英取代硅。
石英也是一种高性能的晶体，虽然批量生产不如硅，但可以进行定向腐蚀，已用于制造压力传感器、加速度计和陀螺。
（3）合成材料：
最近几年材料结构的控制技术发展很快，在未来阶段，MEMS应用的新材料包括化合物材料、高温超导材料、磁阻材料、铁电材料、热点材料以及许多其他功能材料。
这些材料是专门为MEMS传感器研究和开发的。
（三）制作工艺
微机械加工技术是制作微传感器、微执行器和微电子机械系统的关键技术。
微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。
硅基加工技术比较成熟，硅的力学性能较好，适合做微型机械。
硅基工艺包括表面加工（牺牲层技术）、体加工（各向异性刻蚀技术）、SPB（硅直接键合）、LIGA和准LIGA加工；非硅基加工包括微电火花加工、微电铸、激光加工、STM和AFM等。
MEMS技术首先是在微电子平面加工工艺基础上发展起来的，又先后有了深反应离子刻蚀（DRIE）、LIGA和准分子激光等多种工艺创新。
这些工艺相互补充，各有所长。
目前已经面市的一代MEMS产品具有一个关键特征：
简单、易于大规模生产、价格便宜、适合于用硅平面工艺加工。
硅熔合键合与深反应离子刻蚀相结合是把“表面”微机械加工与传统的“体”微机械加工的优点结合起来，即把一般集成电路制造工艺的设计灵活性与兼容性和体工艺的坚固性和三维成型能力结合起来。
深反应离子刻蚀DRIE采用氯和氟为基础的等离子体（如用射频功率驱动）刻蚀出近似垂直壁面的深层结构。
目前已经能刻蚀出200μm的深度。
（四）测试技术
MEMS的封装和测试占重要地位。
建立在微电子基础上的MEMS产品的生产工艺应该是比较成熟和可靠的，伴随着CAD和生产工艺要求的不断提高，提高测试和封装的水平和手段才能确保产品的高性能、高可靠性、降低生产成本。
七、MEMS技术分类
（一）传感MEMS技术
在MEMS技术研究领域中，传感MEMS是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的、特征尺寸至微米/纳米级、具有将感受量转换为电信号的器件和系统，包括：
速度、加速度、压力、温度、湿度、气体、磁、光、声、生物、化学等传感MEMS，它是人类探知自然界的触角，是各种现代化装置中的神经元。
现代信息技术是20世纪人类社会发展的重要资源和动力，作为信息采集技术的传感器技术、作为信息传输技术的通讯技术、作为信息处理技术的微处理器技术已成为现代信息技术的三大支柱。
作为现代高新技术的传感器MEMS技术是现代传感器技术的重要发展方向。
80年代后期MEMS技术的飞速发展，极大的推动了微传感器技术和微执行器技术的发展。
采用MEMS技术制作的微传感器由于体积小、重量轻、成本低、功耗低、高可靠、易于批量化生产、易于集成化和多功能化，是各种自动化装置发展的现代武器装备必不可少的关键技术，其应用领域十分广泛。
（二）生物MEMS技术
生物MEMS技术是一类应用MEMS加工技术制造的化学/生物微型分析和检测芯片或仪器。
它把生化检测过程中的进样、反应、分析、检测等功能通过在固相基片上的微反应器（微流体腔和微流体管道）实现。
借助于MEMS加工技术制备的微阵列芯片是生物MEMS研究的重要方面，药物缓释芯片以及其它与生物医学诊断与治疗相关的芯片式微型装置和仪器也是生物MEMS的研究内容。
生物MEMS是一种典型的MEMS器件及系统，具有体积小、成本低、可标准化和批量化生产等特点。
在功能上它具有获取信息量大、分析效率高、样品用量少、操作简便、可实现生物和化学信息的实时自动化检测等特点，在生物医学、化工、制药、农业、环境监测、国家安全等许多研究和应用领域有重要的应用。
（三）信息MEMS技术
现代信息技术的基础和核心是微电子技术，从微电子技术二维加工到MEMS技术，又对信息技术的新发展产生重大作用。
人们可以在一个芯片或微型系统上将信息获取、信息传输、处理和执行等功能集成起来。
这类用于通信、多媒体、网络和智能等领域中的MEMS技术称为信息MEMS技术。
信息MEMS技术中已形成产业的有硬盘读写头、喷墨打印头、数字微镜阵列（DMD）等。
目前的研究热点是全光通信和移动通信中的MEMS技术如MEMS光开关和RFMEMS开关等。
信息MEMS技术在信息技术中的应用会促进许多产品的集成化、微型化、智能化，成倍地提高器件和系统的功能密度、信息密度和互连密度，大幅度地节能降低功耗，具有广阔的应用前景，对通信、交通、国防和家庭将带来革命性影响。
八、MEMS技术的加工工艺
微机械加工工艺分为硅基加工和非硅基加工。
下面主要介绍体加工工艺、硅表面微机械加工技术、结合加工、逐次加工、另外单独一章介绍LIGA技术。
下图是微机械加工工艺的流程落图。
（一）体加工工艺
体加工工艺包括去加工（腐蚀）、附着加工（镀膜）、改质加工（掺杂）和结合加工（键合）。
主要介绍腐蚀技术。
腐蚀技术主要包括干法腐蚀和湿法腐蚀，也可分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀。
（1）干法腐蚀是气体利用反应性气体或离子流进行的腐蚀。
干法腐蚀可以腐蚀多种金属，也可以刻蚀许多非金属材料；既可以各向同性刻蚀，又可以各向异性刻蚀，是集成电路工艺或MEMS工艺常用设备。
按刻蚀原理分，可分为等离子体刻蚀（PE：
PlasmaEtching）、反应离子刻蚀（RIE：
ReactionIonEtching）和电感耦合等离子体刻蚀（ICP：
InductionCouplePlasmaEtching）。
在等离子气体中，可是实现各向同性的等离子腐蚀。
通过离子流腐蚀，可以实现方向性腐蚀。
（2）湿法腐蚀是将与腐蚀的硅片置入具有确定化学成分和固定温度的腐蚀液体里进行的腐蚀。
硅的各向同性腐蚀是在硅的各个腐蚀方向上的腐蚀速度相等。
比如化学抛光等等。
常用的腐蚀液是HF-HNO3腐蚀系统，一般在HF和HNO3中加H2O或者CH3COOH。
与H2O相比，CH3COOH可以在更广泛的范围内稀释而保持HNO3的氧化能力，因此腐蚀液的氧化能力在使用期内相当稳定。
硅的各向异性腐蚀，是指对硅的不同晶面具有不同的腐蚀速率。
比如，{100}/{111}面的腐蚀速率比为100：
1。
基于这种腐蚀特性，可在硅衬底上加工出各种各样的微结构。
各向异性腐蚀剂一般分为两类，一类是有机腐蚀剂，包括EPW（乙二胺，邻苯二酸和水）和联胺等。
另一类是无机腐蚀剂，包括碱性腐蚀液，如：
KOH，NaOH，LiOH，CsOH和NH4OH等。
在硅的微结构的腐蚀中，不仅可以利用各向异性腐蚀技术控制理想的几何形状，而且还可以采用自停止技术来控制腐蚀的深度。
比如阳极自停止腐蚀、PN结自停止腐蚀、异质自停止腐蚀、重掺杂自停止腐蚀、无电极自停止腐蚀还有利用光电效应实现自停止腐蚀等等。
（二）硅表面微机械加工技术
美国加州大学Berkeley分校的SensorandActuator小组首先完成了三层多晶硅表面微机械加工工艺，确立了硅表面微加工工艺的体系。
表面微机械加工是把MEMS的“机械”（运动或传感）部分制作在沉积于硅晶体的表面膜（如多晶硅、氮化硅等）上，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。
分离主要依靠牺牲层（SacrificeLayer）技术，即在硅衬底上先沉积上一层最后要被腐蚀（牺牲）掉的膜（如SiO2可用HF腐蚀），再在其上淀积制造运动机构的膜，然后用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下面膜的通道，待一切完成后就可以进行牺牲层腐蚀而使微机构自由释放出来。
硅表面微机械加工技术包括制膜工艺和薄膜腐蚀工艺。
制膜工艺包括湿法制膜和干式制膜。
湿法制膜包括电镀（LIGA工艺）、浇铸法和旋转涂层法、阳极氧化工艺。
其中LIGA工艺是利用光制造工艺制作高宽比结构的方法，它利用同步辐射源发出的X射线照射到一种特殊的PMMA感光胶上获得高宽比的铸型，然后通过电镀或化学镀的方法得到所要的金属结构。
干式制膜主要包括CVD（ChemicalVaporDeposition）和PVD（PhysicalVaporDeposition）。
薄膜腐蚀工艺主要是采用湿法腐蚀，所以要选择合适的腐蚀液。
（三）结合技术
微加工工艺中有时需要将两块微加工后的基片粘结起来，可以获得复杂的结构，实现更多的功能。
将基片结合起来的办法有焊接、融接、压接（固相结合）、粘接、阳极键合、硅直接键合、扩散键合等方法。
（四）逐次加工
逐次加工是同时加工工艺的补充，常用于模具等复杂形状的加工，其优点是容易制作自由形状，可对非平面加工，缺点是加工时间很长，属单件生产，成本高。
包括以下几种：
逐次除去加工：
如用于硅片切割的砂轮加工；细微放电加工、激光束加工、离子束加工、STM（扫描隧道显微镜）加工。
逐次附着加工：
如利用离子束CVD技术，可使仅被照射部分的材料堆积，形成某种结构。
逐次改质加工：
比如可以利用电子束或激光照射的办法使基板表面局部改质的技术，它的应用有电子束掩膜制作、非平面光刻、局部掺杂等。
逐次结合加工：
比如IC引线焊接、局部粘结等。
九、LIGA与准LIGA技术
1986年德国W.Ehrfeld教授首先开发了进行三维微细加工最有前途的方法——LIGA技术。
——LI，Lithographier，即深度X射线刻蚀；
——G，Galvanformug，即电铸成型；
——A，Abformug，即塑料铸膜。
LIGA技术是深度X射线刻蚀、电铸成型、塑料铸膜等技术的完美结合。
LIGA工艺问世以来，被认为是最有前途的三维微细加工技术。
（一）LIGA技术是微细加工的一种新方法，它的典型工艺流程如上图所示。
（1）深度X射线刻蚀：
首先利用深度同步辐射X射线在数百微米后的PMMA光刻胶上刻蚀出较大深宽比的光刻胶图形，高宽比一般达到100。
（2）电铸成型及制膜：
利用光刻胶层下面的金属膜作为电极进行电镀，将显影后的光刻胶所形成的三维立体结构间隙用金属填充，直到光刻胶上面完全覆盖了金属为止，形成一个与光刻图形互补稳定的相反结构图形。
（3）注模复制（塑铸）
由于深度X射线光刻的代价太大，所以，在批量生产中，采用子母模的办法。
塑铸为大批量生产电铸产品提供了塑料铸模。
（二）与传统微细加工方法比，用LIGA技术进行超微细加工有如下特点：
（1）可制造有较大深宽比的微结构；
（2）取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃等；
（3）可制作任意复杂图形结构，精度高；
（4）可重复复制，符合工业上大批量生产要求，成本低。
（三）LIGA技术的应用与发展
（1）德国美茵兹技术研究所（IMM）开发除使用准分子激光烧蚀与LIGA技术结合的新加工工艺。
（2）欧共体1992年启动一个称为MAXIMA多国协作研究项目，目标是研制一个三维集成加速度传感器。
它是在X方向、Y方向由LIGA工艺制造的加速度传感器阵列，与在Z方向的硅加速度传感器阵列集成在同一硅片而成，是LIGA技术与硅微机械技术的完美结合。
（3）美国威斯康兴大学HenryGuckel教授领导的研究小组对LIGA技术进行了改进，开发出SLIGA技术。
仅仅利用LIGA技术的典型工艺还不能制造出有活动要求的可动微结构。
引入牺牲层腐蚀技术，可以大大拓宽LIGA技术应用零用，为任意几何形状可动的三维结构制作开辟了道路。
（4）1995年上海交通大学利用LIGA技术研制出直径2mm的电磁微马达的样机。
（5）上海冶金所用一般厚正性光刻胶，深UV（紫外光）曝光的准LIGA技术，电铸厚
升级会员 