MEMS发展历史与应用

MEMS综述第一章MEMS的概念........................................................................................................................2第二章MEMS技术发展历史............................................................................................................2第三章MEMS技术工艺与流程........................................................................................................53.1MEMS关键技术..................................................................................................................53.2MEMS制造与加工工艺......................................................................................................73.3MEMS应用流程..................................................................................................................9第四章国内外发展状况...............................................................................................................104.1国外MEMS技术主要研究机构.......................................................................................104.2国外发展现状.................................................................................................................124.3国内主要研究机构.........................................................................................................144.4国内现状.........................................................................................................................164.5中国MEMS产业存在的问题...........................................................................................17第五章MEMS未来发展方向..........................................................................................................18第一章MEMS的概念MEMS是英文MicroElectorMechanicalsystems的缩写，即微电子机械系统。利用集成电路（IC）制造技术和微加工技术把微结构，微传感器，微执行器等制造在一块或者多块芯片上的微型集成系统。具有微型化、智能化、多功能、成本低、高集成度和适于大批量生产等优点。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。其研究内容一般可以归纳为以下三个基本方面：1．理论基础：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响（ScalingEffects），许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。2.技术基础研究：主要包括微机械设计、微机械材料、微细加工、微装配与封装、集成技术、微测量等技术基础研究。3.微机械在各学科领域的应用研究。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。按照专业MEMS技术可以分为四大类：传感MEMS技术，生物MEMS技术，光学MEMS技术，射频MEMS技术。第二章MEMS技术发展历史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。MEMS技术的始于20世纪60年代，是微电子和微机械的巧妙结合。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，联接件等威机构。1967年，美国Westinghouse公司发明表面加工工艺。1970年，美国Cellulite公司研制了第一个硅加速度计样机。1977年，美国Stanford大学首先采用各向异性蚀刻制成一种微型加速度计和第一个电容式压力传感器。1979年，惠普公司发明了第一个微机械喷墨头。1982年，Nova传感器研究所的Petersen教授发表了第一篇针对该领域的综述性文章“SiliconasaMechanicalMaterial”。1985年，德国Karakul微结构研究所开发了LICA技术。1987年，加州大学伯克利分校研发出转子直径120μm的硅微静电马达，是MEMS技术发展历史上的重要里程碑。1988年，Nova传感器所开始批量生产压力传感器。同年，美国的一些著名科学家提出了“小机器，大机遇”的口号，MEMS技术在军事、航天、信息、医学、工业和农业等领域的广阔应用前景引起了世界各国的高度重视，并投入了大量的人力，物力开展对MEMS器件的研究。1989年，W.CTang等人压制了第一个侧向驱动的微型谐振器。1992年，Cornell开发了一种体硅加工工艺—SCREAMprocess(SingleCrystalReactiveIonEtchingAndDecimalization)1993年，德克萨斯仪器研制出数字微镜显示器。1993年，ADI公司成功的将微型加速度计商业化，并大量的应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商业化的开端。2002年，ADI公司推出第一个采用表面微机械加工的全集成的硅微机械陀螺仪。2007年，意法半导体宣布，其硅谐振器已经正式提供给客户，用以取代石英晶振作为定时标准。2007年，韩国科学技术高级研究所研发出使用MEMS开关取代晶体管。2007年，美国麻省理工学院发明芯片实验，可以实现自动化全动物遗传和药物测试。蠕虫在芯片内流动，由吸管和高分辨率显微镜影响固定，一旦表型被鉴定，这些蠕虫将被引导至晶片上相应的区域做进一步的检查。2007年，Wispry发布用于移动通信的MEMS数字调谐电容器样品。这些产品将低功耗CMOS控制和电压产生逻辑与可调谐RF-MEMS数字电容器阵列整合到一起，为顾客提供一个单硅片上的超线性，数字可编程，可变电容解决方案。2007年，芯片上的引擎：第一个微涡轮器诞生。由MIT实验室研发出的这款新引擎可以满足制作目前世界上最小的却电容量更强大的电池，也可以用于小型无人飞机的发动机。在未来，甚至可以生产出大阵列氢燃料涡轮发动机，以实现清洁，安静和节省能源的生产车间。2009年，美国乔治亚理工学院开发出微型发电机，大约为10㎜宽大小等同于一枚硬币，供能时间是普通电池的十倍。2010年，光MEMS时代终于到来。光MEMS一直是创新电子产品的目标，但是该技术的发展道路曲折。IBM和Intel公司相继利用传统的CMOS工具成功的制造出了微机械光学结构。我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿人民币。随后，清华大学、北京大学等十几所高校和研究所于20世纪90年代开始了微机电系统的研究；“十五”期间，MEMS被正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿元人民币以上；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；自1993年底起，国防科工委投入数千万元用于“九五”器件微型机械的研究工作，并且建立了两个微加工基地和一个项目研究中心。MEMS研究在我国已形成了如下几个方向：微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。中国MEMS研究的覆盖面是比较宽的，增长速度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平，中国MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带来希望，从我国集成电路（IC）的发展历程可以更好地理解MEMS产业化的重要意义。第三章MEMS技术工艺与流程3.1MEMS关键技术MEMS技术研究内容极为广泛，其中它的关键技术有：设计技术、材料的选择技术、制作和加工工艺（略）、封装和测试技术、多传感信息融合技术、微能源技术、微驱动技术。制作和加工工艺将在下一章节详细介绍。（1）设计技术：MEMS产品设计包括系统、器件、电路、封装等设计。采用CAD能设计出具有低成本，高性能，更为复杂的新型微系统。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要求。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，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精确的计算数值求解方法来分析和预测器件的性能。对器件工作的静态、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。（2）材料的选择技术MEMS应用材料主要有三种：单晶硅和多晶硅，压电材料和其他类型的合成材料。硅材料（单晶硅和多晶硅）：硅的机械性能好，硅的强度，硬度和扬氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钨，是制作MEMS器件应用最为广泛的材料，在其中掺入各种杂质，能获得很好的性能。压电材料：开发研究表明，压电材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统，可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景合