微機電系統(tǒng)-MEMS簡介

微機電系統(tǒng)-MEMS簡介

早在二十世紀(jì)六十年代，在硅集成電路制造技術(shù)發(fā)明不久，研究人員就想利用這些制造技術(shù)和利用硅很好的機械特性，制造微型機械部件，如微傳感器、微執(zhí)行器等。如果把微電子器件同微機械部件做在同一塊硅片上，就是微機電系統(tǒng)——MEMS:MicroelectromechanicalSystem。由于MEMS是微電子同微機械的結(jié)合，如果把微電子電路比作人的大腦，微機械比作人的五官（傳感器）和手腳（執(zhí)行器），兩者的緊密結(jié)合，就是一個功能齊全而強大的微系統(tǒng)。MEMS定義2/2/20232微機電系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，它是將微機械、信息輸入的微型傳感器、控制器、模擬或數(shù)字信號處理器、輸出信號接口、致動器(驅(qū)動器)、電源等都微型化并集成在一起，成為一個微機電系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)內(nèi)部可分成幾個獨立的功能單元，同時又集成為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。圖1微機電系統(tǒng)的組成框圖

2/2/202331959年就有科學(xué)家提出微型機械的設(shè)想，但直到1962年才出現(xiàn)屬于微機械范疇的產(chǎn)品—硅微型壓力傳感器。其后尺寸為50～500微米的齒輪、齒輪泵、氣動蝸輪及聯(lián)接件等微型機構(gòu)相繼問世。而1987年由華裔留美學(xué)生馮龍生等人研制出轉(zhuǎn)子直徑為60微米和100微米的硅微型靜電電機，顯示出利用硅微加工工藝制作微小可動結(jié)構(gòu)并與集成電路兼容制造微小系統(tǒng)的潛力，在國際上引起轟動，科幻小說中描述把自己變成小昆蟲鉆到別人的居室或心臟中去的場景將要成為現(xiàn)實展現(xiàn)在人們面前。同時，也標(biāo)志著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的誕生。

微電子機械系統(tǒng)是以微電子、微機械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)，研究、設(shè)計和制造具有特定功能的微型裝置（包括微結(jié)構(gòu)器件、微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)等方面）的一門科學(xué)。2/2/20234世界上第一個微靜電馬達2/2/20235MEMS的發(fā)展過程20世紀(jì)60年代：采用將傳感器和電子線路集成在一個芯片上的設(shè)計思想來制作集成傳感器。20世紀(jì)60年代后期：硅刻蝕技術(shù)用于制作能將壓力轉(zhuǎn)換為電信號的應(yīng)變薄膜結(jié)構(gòu)。

20世紀(jì)70年代：人們使用硅各向異性選擇性腐蝕制作薄膜，摻雜以及基于電化學(xué)的腐蝕?？碳夹g(shù)也出現(xiàn)了，隨之而來的是“體硅加工”技術(shù)。2/2/2023620世紀(jì)80年代：“表面微加工”技術(shù)在加速度計、壓力傳感器和其他微電子機械結(jié)構(gòu)制作中得到了應(yīng)用。

20世紀(jì)80年代后期：MEMS在世界范圍內(nèi)受到了廣泛重視，在美國、歐洲和亞洲，投入的研究資金和研究人員都以令人驚訝的速度在大幅增長。MEMS正在處于蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵時期，不斷地有新型器件和新型技術(shù)給予報道，人們見證了基于MEMS技術(shù)的噴墨打印頭、壓力傳感器、流量計、加速度計、陀螺儀、非冷卻紅外成像儀和光學(xué)投影儀等設(shè)備的不斷開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的進程。（如同IC）

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1939年

P-N結(jié)半導(dǎo)體

(W.Schottky)1948年

晶體管

(J.Bardeen,W.H.Brattain,W.Shockley)1954年

半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)

(C.S.Smith)1958年

集成電路（IC）

(J.S.Kilby)1959年“Thereisplentyofroomatthebottom”(R.Feynman)1962年

硅集成壓力驅(qū)動器

(O.N.Tufte,P.W.Chapman,D.Long)1965年

表面微機械加速度計

(H.C.Nathanson,R.A.Wichstrom)1967年

硅各向異性深度刻蝕

(H.A.Waggener)1973年

微型離子敏場效應(yīng)管

(TohokuUniversity)1977年

電容式硅壓力傳感器

(Stanford)MEMS的發(fā)展過程的重要歷史事件2/2/20238

1979年集成化氣體色譜儀(C.S.Terry,J.H.Jerman,J.B.Angell)1981年水晶微機械(YokogawaElectric)1982年“Siliconasamechanicalmaterial”(K.Petersen)1983年集成化壓力傳感器(Honeywell)1985年LIGA工藝(W.Ehrfeldetal.)1986年

硅鍵合技術(shù)(M.Shimbo)1987年微型齒輪(UCBerkeley)1988年

壓力傳感器的批量生產(chǎn)(NovaSensor)1988年微靜電電機(UCBerkeley)1992年

體硅加工工藝(SCREAMprocess,Cornell)1993年數(shù)字微鏡顯示器件(TexasInstruments)1994年商業(yè)化表面微機械加速度計(AnalogDevices)1999年光網(wǎng)絡(luò)開關(guān)陣列(Lucent)2/2/20239

由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗小、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點，因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域

2/2/202310MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域

1、MEMS在空間科學(xué)上的應(yīng)用

2、MEMS在軍事國防上的應(yīng)用

3、MEMS在汽車工業(yè)上的應(yīng)用

4、MEMS在醫(yī)療和生物技術(shù)上的應(yīng)用

5、MEMS在環(huán)境科學(xué)上的應(yīng)用

6、MEMS在信息技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

MEMS在導(dǎo)航、飛行器設(shè)計和微型衛(wèi)星等方面有著重要應(yīng)用。如：基于航天領(lǐng)域里的小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納米衛(wèi)星和皮米衛(wèi)星的概念，提出了全硅衛(wèi)星的設(shè)計方案，整個衛(wèi)星的重量縮小到以千克計算，進而大幅度降低成本，使較密集的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)成為現(xiàn)實。

用MEMS技術(shù)制造的微型飛行器、戰(zhàn)場偵察傳感器、智能軍用機器人和其他MEMS器件，在軍事上的無人技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。美國采用MEMS技術(shù)已制成尺寸只有10cm×10cm的微型偵察機。

汽車發(fā)動機控制模塊是最早使用MEMS技術(shù)的汽車裝備，在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最多的是微加速度計和微壓力傳感器，并且以每年20%的比例在迅速增長。此外，角速度計也是應(yīng)用于汽車行業(yè)的重要MEMS傳感器，它可用于車輪的側(cè)滑控制。

采用體微加工技術(shù)制作的各種微泵、微閥、微鑷子、微溝槽和微流量計等器件適合于操作生物細胞和生物大分子。由于MEMS器件的體積小，能夠進入很小的器官和組織，同時又能進行細微精細的操作，因此可以大大提高介入治療的精度，降低醫(yī)療風(fēng)險。

利用MEMS技術(shù)制造的微型儀器在環(huán)境檢測、分析和處理方面大有作為，它們主要是由化學(xué)傳感器、生物傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成的微型測量和分析設(shè)備,其優(yōu)勢在于體積小、價格低、功耗小和易于攜帶。MEMS技術(shù)的發(fā)展對信息技術(shù)產(chǎn)生了深遠的影響。近年來，MEMS又逐漸向光通訊領(lǐng)域滲透，形成了由微光學(xué)、微電子學(xué)、微機械學(xué)和材料科學(xué)相結(jié)合的全新研究領(lǐng)域，即微光電子機械系統(tǒng)（MOEMS）。2/2/202311MEMS傳感器及其組成的微型慣性測量組合在汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、減震系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等。GPS定位系統(tǒng)。*在汽車里作為加速表來控制碰撞時安全氣囊防護系統(tǒng)的施用*在汽車里作為陀螺來測定汽車傾斜，控制動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)*在輪胎里作為壓力傳感器。在汽車上的應(yīng)用2/2/2023122/2/202313MEMS已在空間超微型衛(wèi)星上得到應(yīng)用,該衛(wèi)星外形尺寸為2.54cm×7.62cm×10.6cm,重量僅為250g。2000年1月,發(fā)射的兩顆試驗小衛(wèi)星是證明空基防御能力增強的一個范例。對小衛(wèi)星試驗來說幸運的是,因其飛行壽命短,所以,暴露在宇宙輻射之下并不是關(guān)鍵問題。小衛(wèi)星上基于硅的RF開關(guān)在太空應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,這得益于它的超微小尺寸。作為一個在海上應(yīng)用的實例,MEMS引信/保險和引爆半導(dǎo)體,微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計,器件,封裝,測試,F/SA裝置已成功地用于潛艇魚雷對抗武器上。引信/保險和引爆裝置的工作包括3個獨立步驟:發(fā)射魚雷后,解除炸藥保險、引爆引信和防止在不正確時間爆炸保險。使用鍍有金屬層的硅結(jié)合巧妙的封裝技術(shù),MEMSF/SA器件要比傳統(tǒng)的裝置小1個數(shù)量級,可安裝在15.88cm的魚雷上,這是其他方法做不到的.在軍事上的應(yīng)用2/2/202314國外MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用MEMS技術(shù)在精確打擊彈藥引信中的應(yīng)用美國FMU2159/B硬目標(biāo)侵徹靈巧引信及加速度計2/2/202315采用MEMS技術(shù)的彈道修正引信裝有彈道修正引信的MK64制導(dǎo)炮彈2/2/202316單兵20mm高爆榴彈微機電引信2/2/202317在1995年的國際會議上已有人正式提出研制全硅衛(wèi)星的概念。即整個衛(wèi)星由硅太陽能電池板、硅導(dǎo)航模塊、硅通信模塊等組合而成,這樣,可使整個衛(wèi)星的質(zhì)量縮小到以kg計算,從而使衛(wèi)星的成本大幅度降低。美國提出的硅固態(tài)衛(wèi)星的概念圖，這個衛(wèi)星除了蓄電池外，全由硅片構(gòu)成，直徑僅15cm。航空航天的應(yīng)用2/2/202318微機械技術(shù)在生物醫(yī)療中的應(yīng)用尤其令人驚嘆。例如:將微型傳感器用口服或皮下注射法送入人體,就可對體內(nèi)的五臟六腑進行直接有效的監(jiān)測。將特制的微型機器人送入人體,可刮去導(dǎo)致心臟病的油脂沉積物,除去體內(nèi)的膽固醇,可探測和清除人體內(nèi)的癌細胞,進行視網(wǎng)膜開刀時,大夫可將遙控機器人放入眼球內(nèi),在細胞操作、細胞融合、精細外科、血管、腸道內(nèi)自動送藥等方面應(yīng)用甚廣。MEMS的微小可進入很小的器官和組織和能自動地進行細微精確的操作的特點,可大大提高介入治療的精度,直接進入相應(yīng)病變地進行工作,降低手術(shù)風(fēng)險。同微電子,集成電路,IC,工藝,設(shè)計,器件,封裝,測試,MEMS時,可進行基因分析和遺傳診斷,利用微加工技術(shù)制造各種微泵、微閥、微攝子、微溝槽、微器皿和微流量計的器件適合于操作生物細胞和生物大分子。所以,微機械在現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)中的應(yīng)用潛力巨大,為人類最后征服各種絕癥延長壽命帶來了希望。生物醫(yī)療和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用2/2/202319

OMOM智能膠囊消化道內(nèi)窺鏡系統(tǒng)金山科技集團研制的膠囊內(nèi)鏡“膠囊內(nèi)鏡”是集圖像處理、信息通訊、光電工程、生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科技術(shù)為一體的典型的微機電系統(tǒng)（MEMS）高科技產(chǎn)品，由智能膠囊、圖像記錄儀、手持無線監(jiān)視儀、影像分析處理軟件等組成。

工作時間：8小時左右

視角度：140度

視距：3cm

分辨力：0.1mm

體積：13mm×27.9mm

重量：<6g

外殼：無毒耐酸耐堿高分子材料圖象記錄儀2/2/202320OMOM膠囊內(nèi)鏡的工作原理是：患者像服藥一樣用水將智能膠囊吞下后，它即隨著胃腸肌肉的運動節(jié)奏沿著胃→十二指腸→空腸與回腸→結(jié)腸→直腸的方向運行，同時對經(jīng)過的腔段連續(xù)攝像，并以數(shù)字信號傳輸圖像給病人體外攜帶的圖像記錄儀進行存儲記錄，工作時間達6～8小時，在智能膠囊吞服8～72小時后就會隨糞便排出體外。醫(yī)生通過影像工作站分析圖像記錄儀所記錄的圖像就可以了解病人整個消化道的情況，從而對病情做出診斷。

影像工作站

優(yōu)點:操作簡單:整個檢查僅為吞服膠囊、記錄與回放觀察三個過程。醫(yī)生只需在回放觀察過程中，通過拍攝到的圖片即可對病情做出準(zhǔn)確判斷。安全衛(wèi)生:膠囊為一次性使用，避免交叉感染;外殼采用不能被消化液腐蝕的醫(yī)用高分子材料，對人體無毒、無刺激性,能夠安全排出體外。擴展視野:全小腸段真彩色圖像清晰微觀，突破了小腸檢查的盲區(qū)，大大提高了消化道疾病診斷檢出率。方便自如:患者無須麻醉、無須住院，行動自由，不耽誤正常的工作和生活。2/2/202321這個一次性胰島素注射泵融合了Debiotech的胰島素輸注系統(tǒng)技術(shù)和ST的微射流MEMS芯片的量產(chǎn)能力。納米泵的尺寸只有現(xiàn)有胰島素泵的四分之一.微射流技術(shù)還能更好地控制胰島素液的注射量，更精確地模仿胰島自然分泌胰島素的過程，同時還能檢測泵可能發(fā)生的故障，更好地保護患者的安全。成本非常低廉。

胰島素注射泵療法或者連續(xù)皮下注射胰島素（CSII）可以替代一天必須輸注幾次的單次胰島素注射法，這種療法越來越被人們看好。按照CSII治療方法，糖尿病患者連接一個可編程的注射泵，注射泵與一個貯液器相連，胰島素就從這個貯液器輸注到人體皮下組織內(nèi)，在一天的輸液過程中，可根據(jù)病人的情況設(shè)定液量。微射流MEMS技術(shù)應(yīng)用于糖尿病治療.2/2/202322仿學(xué)中的應(yīng)用（仿生纖毛）地下水流微傳感器2/2/202323

MEMS器件根據(jù)其特性分成微傳感器、微執(zhí)行器、微結(jié)構(gòu)器件、微機械光學(xué)器件等。微傳感器機械類化學(xué)類磁學(xué)類生物類力學(xué)力矩位置速度加速度流量角速度(陀螺)氣體成分濕度PH值離子濃度2/2/202324微執(zhí)行器馬達齒輪揚聲器開關(guān)微結(jié)構(gòu)器件薄膜探針彈簧微梁微腔溝道微軸錐體微光學(xué)器件微鏡陣列微光掃描器微斬光器光編碼器微光閥微干涉儀微光開關(guān)微透鏡2/2/202325大機械制造小機械，小機械制造微機械日本為代表LIGA工藝Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)Abformung(塑鑄)德國為代表硅微機械加工工藝：體硅工藝和表面犧牲層工藝美國為代表MEMS制造工藝2/2/202326Materials硅基材料單晶硅，多晶硅，非晶硅，二氧化硅，氮化硅，碳化硅，SOI(SiliconOnInsulator)。聚合物材料光刻膠，聚二甲硅氧烷其他材料砷化鎵，石英，玻璃，鉆石，金屬。

2/2/202327Technologies

物理氣相淀積(PhysicalVapourDeposition)化學(xué)氣相淀積(ChemicalVapourDeposition)電鍍（Electroplating）旋轉(zhuǎn)鑄模（SpinCasting）溶膠-凝膠（Sol–GelDeposition）光刻(Photolithography)刻蝕:干法刻蝕（DRIE,ICP）和濕法腐蝕鍵合技術(shù)2/2/202328物理氣相淀積(PVD)物理氣相淀積是利用某種物理過程，例如蒸發(fā)或濺射過程來實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)移，即把原子或分子由源轉(zhuǎn)移到襯底表面上，從而淀積形成薄膜，整個過程不涉及化學(xué)反應(yīng)，常用的有真空蒸發(fā)和濺射。真空蒸發(fā)是在真空室中，吧所要蒸發(fā)的金屬加熱到相當(dāng)高的溫度，使其原子或分子獲得足夠高的能量，脫離金屬材料表面的束縛而蒸發(fā)到真空中，從而淀積在硅晶原片表面形成一薄的膜。優(yōu)點：較高的淀積速率，薄膜純度高，厚度控制精確，生長機理簡單

缺點：臺階覆蓋能力差，工藝重復(fù)性不好，淀積多元化合金薄膜時組分難以控制濺射是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點那個，將離子引向被濺射物質(zhì)，轟擊被濺射物質(zhì)使其原子或分子逸出從而淀積到硅晶圓片上形成薄膜。這個過程就像用石頭用力扔向泥漿中，會濺出許多泥點落在身上一樣。優(yōu)點：淀積薄膜與襯底附著性好，淀積多元化合金薄膜時組分容易控制，較高的薄膜濺射質(zhì)量，高純靶材，高純氣體。2/2/202329化學(xué)氣相淀積(CVD)指把含有構(gòu)成薄膜元素的兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。淀積氮化硅膜(Si3N4)就是一個很好的例子，它是由硅烷和氮反應(yīng)形成的。幾乎可以淀積集成電路工藝中所需要的各種薄膜，例如摻雜或不摻雜的SiO2、多晶硅、非晶硅、氮化硅、金屬(鎢、鉬)等

目前常用的有常壓化學(xué)氣相淀積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)以及等離子體增強化學(xué)氣相淀積(PECVD)

有淀積溫度低、薄膜成分和厚度易于控制、均勻性和重復(fù)性好、臺階覆蓋優(yōu)良、適用范圍廣、設(shè)備簡單等一系列優(yōu)點。相對于與PVD相比，其優(yōu)點：結(jié)晶性和理想配比都比較好，薄膜成分和膜厚容易控制，淀積溫度低，臺階覆蓋性好。2/2/202330真空鍍膜儀2/2/202331磁控濺射電子在電場的作用下加速飛向基片的過程中與氬原子發(fā)生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片。氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉積在基片上成膜。二次電子在加速飛向基片的過程中受到磁場洛侖磁力的影響，被束縛在靠近靶面的等離子體區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域內(nèi)等離子體密度很高，二次電子在磁場的作用下圍繞靶面作圓周運動，該電子的運動路徑很長，在運動過程中不斷的與氬原子發(fā)生碰撞電離出大量的氬離子轟擊靶材，經(jīng)過多次碰撞后電子的能量逐漸降低，擺脫磁力線的束縛，遠離靶材，最終沉積在基片上2/2/202332電子束蒸鍍2/2/202333光刻工藝流程（1）涂膠，（2）前烘掩模版紫外光（3）曝光（4）顯影，（5）堅膜（6）刻蝕，（7）去膠2/2/202334曝光方法：接觸式曝光（ContactPrinting），接近式曝光（ProximityPrinting），投影式曝光（ProjectionPrinting）。正膠和負膠的比較：

負性光刻采用負性光刻膠，曝光后光刻膠會因交聯(lián)而硬化，不溶于溶劑，將想產(chǎn)生的圖形置于掩模板上不透明的區(qū)域，則最終在光刻膠上形成的圖形與掩模板上的相反，負性光刻是最早用在半導(dǎo)體工藝中的。正性光刻采用正性光刻膠，基本特征，曝光后的光刻膠經(jīng)過用中化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后，在顯影液中軟化并溶解，而不曝光的區(qū)域上的光刻膠則保留在硅片上，作為后續(xù)工藝保護層，這種方法復(fù)制到硅片表面上的圖形與掩模板上的相同。

2/2/202335LIGA技術(shù)

LIGA技術(shù)是利用X光射線光刻，通過電鑄成形和鑄塑形成深層微結(jié)構(gòu)方法。可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，深度刻達1000微米。LIGA工藝對設(shè)備的要求較高，生產(chǎn)費用較昂貴。2/2/202336濕法化學(xué)腐蝕硅的晶體結(jié)構(gòu)圖1.硅晶體結(jié)構(gòu)硅晶體中主要晶面2/2/202337各向異性腐蝕溶劑（1）KOH-H2O溶液（2）KOH+IPA溶液（3）乙二胺-鄰苯二酚和水的混合液（EPW）2/2/202338（4）TMAH（四甲基氫氧化銨）SiO2在硅片〈100〉面上的各向異性腐蝕在硅片〈110〉面上的各向異性腐蝕2/2/202339(110)(111)(110)(110)(111)硅的各向異性腐蝕(a)(b)2/2/202340干法刻蝕反應(yīng)離子刻蝕（RIE）深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)耦合等離子體刻蝕(ICP)2/2/202341反應(yīng)離子刻蝕（RIE）等離子體刻蝕與濕法刻蝕相比，明顯優(yōu)點就是等離子可以容易地開始和結(jié)束，而且等離子對硅片上溫度的微小變化不是那么敏感。2/2/2023422/2/2023432/2/2023442/2/202345

MEMS螺旋形電感和多層電感2/2/202346固相鍵合技術(shù)兩塊固態(tài)材料之間不用任何粘合劑，而是通過化學(xué)鍵合物理作用將它們緊密地結(jié)合在一起的方法。在MEMS制造工藝中，經(jīng)常要對微結(jié)構(gòu)進行支撐和保護，也可實現(xiàn)