微电子机械系统(MEMS)综述.docx

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1、浙大微电子机械系统（MEMS）综述内 容: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-Eleclro-Mechanical System,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/Microm

2、achine 卜的定义：A micro machine is an extremelysmall machine comprising very small(several millimeters or less) yet highly sophisticated functionalelements that allows it to perform minute and complicated taskso一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1 Um小于Inm,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

3、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( Lithographgalvanfomung und abformug)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

4、、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10mmX 10mm,每个压力芯片尺寸为5() u mX50 u m。(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MEMSo(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

5、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

6、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

7、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（）.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1020年。目前，IC工艺已进入超深亚微米阶段,并可望至IJ2012年达至lJO.O5um,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

8、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（Micro Ele

9、ctroMechanical Systems Workshop )o下表列出了 19871996年来MEMS的研究概况。MEMS延域部分研究课题年表of MKMS rtMurdt tople*机械加工电子学材料之执行2s19K7多品检伺取加建度计双质电晶片涡能机电策筒1988CVD W田力/前造反开关电马小配仪牖伺加建慢法IW取片处讨技小M)超”悬浮变速马达1990GaAs电子陵道传目4空气悬浮状Mc.TiNi状超声够电薄限记忆合金）变速由马达19913绻光刻提出集成人造金刚石碳段电子控制执行器UGAMEMS项目m法性器件线法结构1992HARl键合型集成S夔舒电执行IS东助3雉工艺传感器低科

10、镀合1993深R1E充电电洎刻痕弟动立体光M石英用电干法利育分命舲电场电,马达1994太寓能电池环列聚化碟伺ti空气喷嘴俯为俄致伸怖股boltltit电路集成1905能动税GE结构艇合组装3维R执行2119962难自邕装ASIC马达控制办永久横铁段3缰覆计场发射器薄膜晶体管三、MEMS发展史0119世纪照相制版021951 年Braun发明shadow mask （影空版）（美，RCA公司）031954 年压阻效应的发现041962 年结晶各相异性腐蚀051963 年半导体压力计（日本丰田研究所）061967 年振动栅极晶体管（美，Westinghouse公司，利用牺牲层腐蚀方法）071968

11、 年阳极键合（美，Mallory公司）081969 年杂质浓度依存性腐蚀091970 年硅微小电极（美，Stanford,硅细微结构体）101973 年导管用硅压力传感器（美，Stanford）111973 年微型离子敏场效应管（日本，东北大学）121975 年集成化气体色谱仪（美，Stanford,传感器+执行器）131979 年集成压力传感器（美，Michigan Shite University,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

12、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）181987 年微型齿轮（美，University of California, 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

13、光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。目前部分器件己经实现了产业化，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戈IJ,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

14、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UC Berkeley成立了由多所大学和企业组成的BSAC（Berkeley Sensor and Actuator） 0 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u TAS（Micro Total Analysis System全微分析系统）或LOC（Lab on Chip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