MEMS技术现状与未来发展江苏大学.docx

MEMS技术现状与未来发展江苏大学.docx

《MEMS技术现状与未来发展江苏大学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MEMS技术现状与未来发展江苏大学.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

MEMS技术现状与未来发展江苏大学

MEMS技术现状与未来发展

（***************）

摘要：

文章将重点介绍MEMS技术的发展历史，及其尺度效应，材料基础和相关MEMS制造技术，分析和探讨这一新机械技术的影响和意义，并总结出微电子机械技术发展所面临的的问题，并提出相应的策略和解决办法，从而为微电子机械技术的发展作出铺垫。

关键词:

MEMS发;展历史;尺度效应；材料基础；制造技术；发展问题。

Abstract:

ThisarticlefocusesonthehistoryofthedevelopmentofMEMStechnologyanditsscaleeffect,materialbasisandmanufacturingtechnologyrelatedwithMEMS.Iwillanalyzestheimpactandthesignificanceofthisnewmechanicaltechnology,summarizingtheproblemsfacedwiththedevelopmentofMEMStechnologyandputtingforwardthecorrespondingsolutionsandstrategies.IbelievethatitwillpavethewayfordevelopmentMEMStechnology.

Keywords:

MEMS;developinghistory;scaleeffect;materialbasis;manufacturingtechnology;developingproblem.正文：

MEMS全名MicroElectronMechanicalSystem，翻译成中文即是微机电系统，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术的高科技电子机械器件。

一．MEMS技术国内外发展历史：

＜一＞国外发展概况：

MEMS的开展始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合，MEMS技术最早是使用于军事领域的。

MEMS技术的发展与微电子技术的发展密不可分，可以说微电子技术就是MEMS技术的基石。

1947年：

发明晶体管--技术基础；1954年：

Si、Ge压阻效应；1978年超大规模集成电路研制成功，标志着电子技术正式进入微电子时代；80年代：

集成式压力传感器；目前：

新机理压力传感器。

MEMS技术的发展紧随其后，1962年，第一个硅微压力传感器问世，其后开发出尺寸为50~500μm的齿轮、气动涡轮、联接件等微机构。

1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60~120μm的硅微型静电电机，1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并逐渐成为一个世界性的学术用语。

1988年，美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”的口号，MEMS技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域有着广阔的应用前景，受到了世界各国的高度重视，相继投入了大量的人力、物力，开展了对MEMS器件的研究。

1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。

如今，MEMS技术广泛应用于电子行业，如笔记本电脑，MP3播放器，遥控器、便携导航设备等。

正是80年代集成式压力传感器发明成功后，代表着微电子技术的成熟，紧随其后地，MEMS技术在90年代初就得到了爆发式的成长。

国外，尤其是欧美的MEMS技术于90年代就迅猛发展，进入21世纪后也已经趋于成熟。

现在已经向生物，航天，智能机械等高新领域发展。

＜二＞国内发展概况：

MEMS技术在中国的发展在时间上就起步较晚，差不多在90年代的时候才正式开始研究发展，底子很薄，所以在技术水平上就落后欧美国家许多，不过近些年来随着国家的重视和不断加大投资力度，已经得到极大的发展，逐步向世界领先技术水平靠近。

在“八五”、“九五”其间得到国家科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持。

国家自然科学基金委的立项起步于1989年，中国科学院于1991年确立重点研究项目。

2009年，国家加速启动“核高基”（核心电子器件、高端通用芯片和基础软件领域）重大科技专项，旨在集中优势资源，持续创新，力争在上述领域取得突破，掌握一批核心技术，拥有一批自主知识产权。

二．MEMS技术尺度效应与材料基础：

＜一＞尺度效应：

概括地讲，尺度效应就是指:

在微成形过程中，由于制品整体或局部尺寸的微小化引起的成形机理及材料变形规律表现出不同于传统成形过程的现象。

本篇论文当中将只以流体力学的尺度问题。

主要讲述：

1.为什么毛细流动不能随意按比例缩小？

2.在微流动中什么可较好地替代毛细流动？

如图6-7所示其粘度表示为：

μ为流体的动态粘度；Rs=Vmax/h为剪切速率；剪应力τ=Fs/A；Fs

为剪力

通过平均速度和通道的截面积可得出体积流体流动速率：

Q=AsVave

其中As为流体的横截面积；Vave为流体的平均速度

如图6-8所示，流过圆管的压降ΔP可算出，即

可计算出长为L的毛细管截面的压降为：

因此,可得到毛细管内液体流动的尺度规律：

由体积流动速率计算公式，可知体积流量Q∝a4。

由毛细管截面压降计算公式，可知单位长度的压降ΔP/L∝a-2其中，a为管的直径。

结论：

1.当管的半径减小10倍时，单位长度的管压降将减小1000倍2.在微米和亚微米尺度下，可代替传统的容积驱动的新原理有压电、电渗、电湿润和电水力驱动3.压电驱动的原理是利用管壁产生的力代替传统的压差来驱动流体流动。

＜二＞材料基础：

MEMS对材料的要求：

1、具有可微机械加工的特性；2、具有一定的机械性能；3、具有较好的电性能；4、具有较好的热性能。

目前能基本满足上述要求的材料有：

半导体硅、锗、砷化镓、金属铌，以及石英晶体等，其中，尤以硅材料最为常见。

结构材料

薄膜材料：

单晶硅、氮化硅、氧化硅

功能材料

高分子材料：

聚酰亚胺、PMMA

敏感材料：

压阻、压电、热敏、光敏、

其他

致动材料：

压电、形状记忆合金、磁性材料等

三．MEMS制造技术：

＜一＞半导体制造技术：

主要内容有掺杂技术、退火技术、表面薄膜制造技术、光刻技术、金属化技术、刻蚀技术、净化与清洗、接触与互连键合、装配和封装。

掺杂技术：

用人为的方法，将所需的杂质（如磷、硼等），以一定的方式掺入到半导体基片规定的区域内，并达到规定的数量和符合要求的分布，以达到改变材料电学性质、制作PN结、集成电路的电阻器、互联线的目的。

退火技术：

也叫热处理，集成电路工艺中所有的在氮气等不活泼气氛中进行的热处理过程都可以称为退火。

目的：

激活杂质，消除损伤，消除残余应力。

表面薄膜制造技术：

常用化学气相淀积技术，又名

CVD：

ChemicalVaporDeposition。

定义：

使用加热、等离子体和紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应（热解或化学合成），形成固态物质淀积在衬底上。

相对的蒸发和溅射为物理气相淀积。

特点：

温度低、均匀性好、通用性好、台阶覆盖性能好，适合大批量生产。

光刻技术：

光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的

精密表面加工技术

种类：

接触式，接近式，投影式

金属化技术：

蒸发和溅射是制备金属结构层和电极的

主要方法。

是物理气相淀积的方法。

刻蚀技术：

选用适当的腐蚀剂，将掩膜层或衬底刻穿或减薄，以获得完整、清晰、准确的光刻图形或结构的技术。

腐蚀必须具有选择性，腐蚀剂应对光刻胶或掩膜层不腐蚀。

分类：

干法等离子体腐蚀和湿法腐蚀。

净化与清洗：

除去器件制造过程中偶然引入的“表面玷污”杂质（来自加工过程或清洗），如颗粒、杂质膜、物理吸附或化学吸附等。

清洗是一个必需的复杂的工艺过程。

接触与互连键合和装配和封装：

步骤：

释放→划片

＜二＞体硅微加工技术:

主要有腐蚀工艺；湿法腐蚀；干法刻蚀；其他类似加工工艺。

腐蚀工艺：

腐蚀是指一种材料在它所处的环境中由于另一种材料的作用而造成的缓慢的损害的现象。

然而在不同的科学领域对腐蚀这一概念则有完全不同的理解方式。

大部分的微加工工艺基于“Top-Down”的加工思想。

腐蚀工艺是用来“可控性”的“去除”材料的工艺。

湿法腐蚀：

“湿”式腐蚀方法，基于溶液状态的腐蚀剂。

分类：

各向同性腐蚀——腐蚀速率在不同方向上没有

差别

各向异性腐蚀——对不同的晶面的腐蚀速率有

明显差别

干法刻蚀：

狭义的干法刻蚀主要是指利用等离子体放

电产生的化学过程对材料表面的加工。

广义上的干法刻蚀则还包括除等离子体刻蚀外的其

它物理和化学加工方法，例如激光加工、火花放电加工、化学蒸汽加工以及喷粉加工等。

四.中国MEMS技术发展所面临的的问题：

由图1我们可知全球排名靠前的MEMS技术厂家几乎可以说都是国外的一些公司，而中国却一家没有。

2015年度中国半导体行业

MEMS五强企业则是1.瑞声声学科技（深圳）有限公司2.歌尔声学

股份有限公司.美新半导体（无锡）有限公司4.深迪半导体（上海）中上榜的全球30强MEMS公司不可同日而语。

尽管在90年代开始起中国政府就开始重点关注MEMS技术的研发。

但是那也只是实验室，科研所里的发展。

距离真正应用于民生，生产当中不知还有多久可以实现。

中国现阶段MEMS技术的使用需求主要就是靠进口。

光是2014年，硅基MEMS器件的市场规模达到111亿美元，可见MEMS技术市场会有多大，而且MEMS市场是正在迅猛发展，呈上升趋势。

2020年全球MEMS产业将超过200亿美元！

而中国却

无法在这个巨大的蛋糕中分得一块，只能喝一点剩下的冷汤。

而且这并不是MEMS技术这一方面展现出来的问题，中国其他的高新技术产业也面临着相同的问题。

五．结语：

下面是我从2016年中国500企业排名的截图。

从中我们可以看出中国前500强企业几乎都是国有企业，房地产，汽车，通讯，重工，电子信息行业为主。

涉及高新技术产业的十分稀少，中国的ＭＥＭＳ技术前五强一个都没有名列榜中。

例如东方公司虽然进入了中国前

500强，但其技术仍旧是引进的国外技术，而且是中外合资的。

而且像XX，搜狐，网易这些大型的网络技术公司都是美国纳斯达克上市，都不能完全拥有中国自己独立的搜索技术，或多或少都是有外国资本混在其中像华为这样勇于自己独立研发技术，前期愿意花入大量财力，人力，物力研究，拥有自己成体系，完善技术的公司是很少的。

而大部分公司在拥有一笔资金的时候更加愿意是投资房地产，来钱快。

对于研发高新技术，不仅投资巨大而且还要与国外的那些巨头争锋，想想看都觉得不划算。

所以中国虽然一直在强调“科学技术是第一生产力”但是就民营方面技术水平与欧美差得不是一点两点。

民用，生产方面需要的高新技术产品几乎都是进口或是外资在中办厂亦或中外合资，技术引进。

长久以往，这是不行的。

中国想要发展，想要实现中国梦就必须发展高新技术产业，不能总是依靠进口，古言有之“惟名与器不可以假人”，希望中国许多能人志士能够放弃眼前的利益，立足未来，愿意投资发展包括ＭＥＭＳ技术在内的高新技术，不要总是有求于人，中国也可以出口高新技术产品给国外。

希望大多数企业都能像华为一样走出国门，打铁还需自身硬，公司本身拥有强大，先进的技术才能与人争锋。

参考文献：

【１】王琪民等编著；微机电系统工程基础；中国科学技术大学出版社；2010-０1．

【２】王晓浩、熊继军等译；MEMS和微系统——设计与制造；

机械工业出版社；２００４．

【３】刘晓明等编著；微机电系统设计与制造；国防工业出版社，２００６．

【４】王喆垚；微系统设计与制造；清华大学出版社；2015-10-01【５】苑伟政等编著；微机电系统；西北工业大学出版社；2011-０3-０1．

【６】乔庐峰等译；ＶＨＤＬ数字电路设计教程；电子工业出版社；２０１３-０１.

【７】张英，戚红向，李德强等编著；MEMS航天惯导产品及技术发展简介[J].航天标准化；2010-０１．

【８】孙立宁，周兆英，龚振邦编著；MEMS国内外发展状况及我国MEMS发展战略的思考；2002，1：

2-4.

【９】牛君，刘云桥；MEMS技术的发展与应用，2007-1.