微机电系统MEMS研究现状及展望概要.docx
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微机电系统MEMS研究现状及展望概要
微机电系统（MEMS研究现状及展望
张贵钦
福州大学机械系，福建福州350002
摘要:
主要综述了微机电系统（MEMS领域所涉及的微材料、微机械学、微细加工技术、微元器件、封装等基础理论和关键技术的研究现状，分析了存在问题,指
出了今后的研究重点，并对其未来发展作了展望，提出了相应的发展策略。
关键词:
微机电系统；微机械学；微细加工;封装
中图分类号：
TP27114-103文献标识码:
A文章编号：
1001-2265（200207-0001-03
MEMS:
stateoftheartandfuturetrends
ZHANGGuiqin
Abstract:
Currentresearchstatusofthebasictheoryandprincipaltechniquesof
MEMSsuchasmicro-materials,micro-me2chanics,micro-machining,micro-apparatusandpackagingisoverviewed.Theexistingproblemsareanalyzedandstudyem2phasesarepointedout.ThefuturedevelopmentofMEMSisprospectedandrelativedevelopingstrategiesareputforward.
Keywords:
MEMS;Micro-mechanics;Micro-machining;Packaging
1引言
微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems,MEMS是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通信和电
源等于一体的微型器件或系统。
MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，具有体积微小、耗能低；能进入一般机械无法进入的微小空间进行工作；能方便地进行精细操作等优点。
自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针，1988年美国加州大学Berkeley分校研制出第一个直径为200^m的微电机以来，国内外学者在MEMS工艺,材料以及微观机理方面取得了很大进展，发展了各种MEMS器件和系统，并开始产业化,如各种微型传感器--微压力传感器，微加速度计，微触觉传感器，微泵，微机器人等。
MEMS的研究内容不仅包括机械科学、微电子学，还涉及现代光学、气动力学、流体力学、热力学、声学、磁学、自动控制、仿生学、材料科学及表面物理与化学等领域，它是一门多学科的综合科学。
MEMS不仅仅是传统机械在尺度上的微小型化，它已远远超出了传统机械的概念和范畴，而是基于现代科学技术，并作为整个纳米科学技术的重要组成部分，用一种崭新的思维方法指导下的产物。
同传统机械相比在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位、驱动方式等方面都有很大的不同，产生很多由于结构微型化而导致的特殊问题。
另外，MEMS同微电子相比，在运用自然规律的广度、处理对象及与环境的关系等方面也存在明显的区别。
下面就对MEMS领域所涉及的基础理论和关键技术作以综述，研究所面临的问题，并提出相应的应对策略。
2微机电系统研究
微机电系统（MEMS学科交叉很强，研究难度较大,近年来其发展不如人们预期的那么快，其中主要的原因在于很多基础问题和技术问题没有得到很好的解决，下面对MEMS的研究现状和存在的问题予以分析，并指出今后的研究重点。
1.MEMS所用材料
MEMS所用材料可分为：
结构材料、导电材料、压电材料、绝缘材料（二氧化硅和记忆材料（氮化钛。
其中结构材料又包括单晶硅、多晶硅、碳化硅、氮化硅、硅锗合金、镍、金、铝；导电材料包括金、铝、铜；压电材料有铅锆钛合金和石英晶体等。
针对具体的应用场合，寻找适于该场合使用并能用现有微细加工工艺加工的满足一定性能的优良材料是目前微机械材料研究的主要内容。
2.微机械学[4]
微机械学同传统机械学类似，它主要研究微机械中的运动变换和动力传递，以及运动过程中的动态特
1
2002年第7期
性、微型构件在环境影响下的变形和失效规律并从原子、分子尺度出发，研究
相互运动接触界面上的作用、变化与损伤及研究特定微机械系统如微机器人的微机器人机械学等。
但微机械同传统机械相比，又有它自身的独特之处，主要体现在：
（1微机械由于几何尺寸的微小化，力的尺寸效应和表面效应在微观领域将变得非常突出，此时,体积力已不是主要的，相反表面张力、范德华力等将起主要作用。
在进行微机械理论的研究时，一定要注意力的尺寸效应、微结构表面效应、热传导等的研究。
（2宏观上适用的一些定律原理是否在微机械领域仍然成立，这不能想当然而是
有待于验证。
如能量守恒定律、动量定理等仍然适用；而在微流体力学中，描述管道
中液体运动特性的Navier-Stokes方程（NS方程已不再适用。
（3微型机械一般都经过超精密制造，其摩擦副间隙常处于纳米量级甚至为零摩擦，对于这种摩擦界面上的摩擦磨损和润滑问题，应用宏观摩擦学的理论已不适合，而必须借助于以界面上原子、分子为对象的纳米摩擦学来研究，另外为保证微机械系统的性能和寿命，必须最大限度地降低磨损，如对于硬磁盘要求磨损率为0。
（4微结构由于其特殊的制造方法及尺寸效应的影响，其材料性能，特别是力学性能会发生很大变化，传统机械设计的力学计算方法象应力变形计算和动力学分析等已不能适用于微机械设计，而是要寻求新的方法。
另外，表征微结构材料特性的一些物理量有待于重新制订，其测定方法也有待更进一步的研究。
3.微细加工技术[3][5][6][7]
微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统，是自下而上的方法；微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结
合在一起的，是一种自上而下的方法。
微细加工技术是在硅微加工方法的基础上发展起来的，由于微电子工艺是平面工艺，在加工MEMS三维结构方面有一定的难度，为了实现高深宽比的三维微细加工，通过多学科的交叉渗透，已研究开发出了象LIGA、激光加工等方法，表1简单比较了现有的各种微细加工技术。
如何利用传统的精密加工来制造微机械零件，很多人也在作这方面的尝试，较成功的象日本小笠原制作所，用特殊的超小型滚刀，剃成了m=0.01,z=100的铜轴齿轮；如何寻找新的加工工艺也是微机械加工研究中的一个热点，象日本提出的IH工艺即
集成聚合物固化立体光刻，它无须掩膜，加工周期短，可加工高纵横比三维立体聚合物和金属材料。
另外还有利用快速成型（熔融沉积造型FDM、DEM（Deepetching,Electroforming,Microreplication技术等方法来进行微结构加工的研究。
今后，在微细
加工工艺的研究中应注意：
（1继续保持与硅集成电路的紧密联系，充分利用硅材料，广泛利用为集成电路开发的现有设备和技术，并且向着不断把信号检测电路和控制电路与微机械单片集成方向发展；
（2各种加工工艺在其发展过程中更加融合在一起，相互之间的界限更加模糊。
实际上，由于微电子机械系统的多样性和广泛性，也只有多种技术的结合才更能满足微机械技术进一步发展的需要。
象LIGA工艺就是多种微加工工艺成功融合的一个典范。
表1各种微细加工技术的比较
加工
技术
材料
批量
生产
集
成
化
加工
自由度
加工
厚度
加工
精度
硅表面
微加工
多晶硅等
的薄膜
好好2维数卩m~0.2ym
体硅微
单晶硅、
石英
较好较好3维500卩m~1ym
硅片蚀
除工艺
单晶硅好较好2维20卩m~0.2^m
LIGA
工艺
金属、塑
料、陶瓷
较好稍差2.5维1mm~0.复m集束
加工
金属、半
导体、塑料
较好稍差3维100卩m~Vm
激光
加工
金属、半
导体、塑料
稍差稍差3维100卩m~Vm
电火花
加工
金属等导
电性材料
稍差不可3维数mm~«m
STM
加工
原子不可?
2维
单原子
水平
4.微型元器件[1][9][10]
近年来，利用大规模集成电路的微细加工技术，将机构、驱动器、传感器、控制器集成在一个多晶硅片上，以实现有源机构和完整的机电一体化的微机械系统是国外微机械研究的一个新趋势。
有关微驱动器、微传感器的研究已引起国内外业内人士的广泛兴趣。
微驱动器是微机械的一个重要组成部分，其驱动方式主要有：
静电、压电、电磁、形状记忆合金、超声、高分子凝胶、热和光致动等。
因为尺寸效应的影响，与
尺寸的零次方成正比的静电力要优于分别与尺寸的二次方和四次方成正比的热膨胀力和电磁力。
目前，主要
组合机床与自动化加工技术
有利用静电力原理的静电微型电机和利用压电元件制成的微驱动器。
它们具有响应快、定位精度高、不松动、分辨率高、易操作等优点。
现在，美国已研制出了
转子直径为50叩的静电电机，日本研制出了外型尺寸2mm的压电电机和0.8mm的电磁电机。
微传感器主要包括微型物理量传感器、化学量传感器、光电传感器及生物传感器等。
它具有体积小、响应快、灵敏度高、成本低等特点。
目前，以微压力、微温
度、微速度、微加速度、微流量、微离子敏、微气敏传感器等的研究和应用较多，
部分类型的传感器如微型压电传感器与加速度传感器等已实现大规模生产。
高分
辨率、高灵敏度、高数据密度及与其他元器件的高度集成”是微型传感器发展的方
向。
5.MEMS封装技术[8]
经过十余年的研究与开发，MEMS器件与系统的设计及制造工艺逐步成熟，但MEMS仍未能大量走出实验室，充分发挥其在军事与民品中的潜在应用，关键是MEMS封装技术未能得到有效的解决。
MEMS封装完全不同于传统IC封装的概念,传统IC封装的目的是提供IC芯片的物理支撑，保护其不受环境的干扰与破坏，同时实现与外界的信号、能源与接地的电气互连。
MEMS器件或系统既要感知外部世
界，同时又要依据感知结果作出对外部世界的动作反应，由于这种与外部环境的交互作用关系以及自身的复杂结构使得对MEMS的封装除了高密度封装所面临的多层互联、散热问题、可靠性问题、可测试性问题之外，还要考虑将MEMS芯片、封装
与工作环境作为一个交互作用的系统来设计MEMS的封装。
目前对MEMS封装技术的研究主要集中在特定应用的传感器与制动器，也有少量的通用的封装技术与
整体圭寸装规划设计的研究。
按圭寸装的层次可分为硅片级圭寸装（WaferLeverPack2
aging、单芯片封装（SingleChipPackaging和系统级封装三级。
研究与开发低成本的高度封装柔性的封装技术是当前MEMS领域的重要课题。
3展望与对策[2]
当前MEMS正处于技术突破和高速发展的前夕，21世纪肯定会展现一个大发展的局面，它的广泛应用和效益将强有力地体现出来，它对信息、航空、航天、自动控制、医学生物学、力学、热学、光学、近代物理和工程学等诸领域发展的影响将是深远的，同时它将为人类提供更方便的获取信息的途径，使人类的生活方式与生存环境更为和谐。
但MEMS研究设备昂贵，需要耗费巨大的人、财、物力，我国发展微机械技术必须有所为有所不为，目前MEMS的研究应集中在下述几个方面：
1.微结构设计及基础理论研究应着重研究微驱动器、微执行器、微操作器等微小化结构的尺寸效应与表面效应；另外还应结合微机械的需要加强对微动力学、微摩擦学、微流体力学、微热力学、微光学、微结构学、微仿生学等基础理论的研究
2.微型机械制造基础技术的研究应更好地理解和应用现有的各种微细加工方法
进行各种微构件的加工，并注意寻找创新性的工艺，另外还应注重对器件装配、键合与封装工艺的研究及对微器件的几何量、表面质量和理化特性测试技术的研究；
3.集成化微器件与微系统的研究微电子与微机械、微光学与微机械以及微与多微集成是MEMS发展的必然趋势,所以还应加强对微传感器、微机械手、微仪器模型（如干涉仪、光谱仪和气象色谱仪等及微系统集成的研究。
正如前面所述,MEMS是一门涉及众多学科的综合性技术的产物，所以对于它的研究只有各个学科通力合作，密切配合，才能真正地构筑和完善MEMS的技术体系,加速对它的研究与开发。
[参考文献]
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ingsoftheIEEE1998,86（8
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国机械工程1999,10（2
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1999,10（2
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术,2000,10
[10]周兆英，叶雄英,唐飞等•微机电系统技术1电子产品世
界,1999,5
收稿日期:
2001-11-29
作者简介：
张贵钦（1973-,女，福建莆田人，福州大学机械系助教，硕士
（编辑何钢
3
2002年第7期
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