30第5章 微机电系统(MEMS)

微机电系统制造工艺史微机电系统（Micro Electro-Me-chanical Systems，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。

微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。

这些系统的大小一般在微米到毫米之间。

在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。

比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。

它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。

其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。

①微机电系统制造发展历程：19世纪照相制版;1951年显像管遮蔽屏(美国RCA公司)(光学应用);1952年表面微加工专利2749598(美);1954年压阻效应;1962年晶体的异向腐蚀;1963年半导体压力计(日本丰田中央研究所);1967年振动门晶体管(美国Westinghouse公司)(牺牲层腐蚀);1968年阳极键合(美国Mallory公司);1969年基于掺杂浓度的腐蚀;1970年硅微电极(斯坦福大学);1973年内窥镜用硅压力传感器(斯坦福大学);1974年集成气相质谱仪(斯坦福大学);1979年集成压力传感器(密西根大学);1982年LIGA工艺(德国原子力研究所);1986年硅反馈式加速度计(瑞士CSEM);1986年集成流量控制器(日本东北大学);1987年微齿轮等(美国加州大学伯克利分校，贝尔研究所);1987年微静电微马达(加州大学伯克利分校，Yu-Chong Tai，Long-Sheng Fan)。

发展阶段：硅微传感器阶段：1963年日本丰田研究中心制作出硅微压力传感器。

微机电系统结构
微机电系统（MEMS）是一种将微电子技术与机械工程结合的微型系统。

它的结构主要包括以下几个部分：
1.微传感器：这是MEMS的最基本组成部分，用于感知外部信号，如温度、
压力、声音等，并将其转换为可处理的电信号。

2.微执行器：这是MEMS的另一重要组成部分，负责将电能转换为机械能，
以实现驱动、控制等功能。

3.信号处理电路：为了对微传感器采集的信号进行处理，MEMS还包括相应
的信号处理电路，以便对信号进行放大、滤波、模数转换等处理。

4.通信接口：MEMS系统通常还需要一个通信接口，以便将MEMS传感器采
集的数据传输到外部设备或系统中。

5.电源：为使MEMS系统正常工作，通常需要为其提供电源。

这可以是内部
电池，也可以是外部电源。

6.封装：MEMS系统需要进行封装，以保护其内部的微机械结构和电路等免
受外界环境的影响。

封装可以采用各种材料和技术，以满足不同的应用需求。

MEMS系统的结构可以根据需要进行定制，以满足特定的应用需求。

其微型化的特点使得MEMS在许多领域都具有广泛的应用前景，如汽车、医疗、航空航天等。

微机电系统(mems)工程技术半导体制造工艺技术微机电系统（MEMS）是一种融合微电子技术、机械工艺和微纳米加工技术的新型技术，具有微小体积、高性能和低功耗等优点，被广泛应用于传感器、执行器、微机械系统等领域。

MEMS制造工艺技术作为其核心技术之一，在MEMS设备的设计、生产和测试过程中起着至关重要的作用。

一、MEMS制造工艺技术的基本原理MEMS制造工艺技术是利用微纳米加工技术对微电子元件进行加工，实现微小尺寸的器件。

其基本原理包括光刻、薄膜沉积、刻蚀、清洗和包装等步骤。

在制造过程中，需要考虑到器件的性能、成本和效率等因素，并采用不同的工艺流程进行处理。

二、MEMS制造工艺技术的工艺流程1.设计阶段：确定MEMS器件的功能和结构，并进行软件仿真和电路设计，制定完整的器件设计方案。

2.掩膜光刻：利用掩膜和紫外光曝光的技术，将器件的图形准确转移到光敏材料上，形成所需的图形。

3.薄膜沉积：采用物理气相沉积、化学气相沉积等技术，在衬底表面沉积一层或多层薄膜，用于制备MEMS器件的功能部件。

4.刻蚀工艺：采用干法或湿法刻蚀技术，将多余的材料去除，形成所需的器件结构。

5.清洗和检测：在制造过程中，需要对器件进行清洗和检测，确保器件的质量和性能。

6.包装封装：将制备好的器件封装在封装体中，保护器件免受外部环境的影响。

三、MEMS制造工艺技术的发展趋势1.纳米加工技术：随着纳米加工技术的发展，MEMS器件的尺寸将进一步减小，性能将得到显著提升。

2.多功能集成：未来的MEMS器件将具有多功能集成的特点，可以同时实现多种功能，提高器件的综合性能。

3.自组装技术：自组装技术的应用将使MEMS制造工艺更加灵活和高效，降低成本，提高生产效率。

4.高可靠性设计：随着MEMS器件在汽车、医疗等领域的广泛应用，高可靠性设计将成为MEMS制造工艺技术的重要发展方向。

四、结语MEMS制造工艺技术是一项复杂而重要的工艺技术，对MEMS器件的性能和质量起着决定性的作用。

5.3 微机电系统（MEMS）传感技术5.3.1 MEMS技术微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS），从广义上讲是指集微型传感器、微型执行器、信号处理器和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统，是一种多学科交叉的前沿性技术，几乎涉及自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，即微米、纳米精度的机械、电子加工技术。

1．MEMS的主要特点（1）微型化。

MEMS的器件体积小、质量轻、功耗低、性能稳定、谐振频率高、响应时间短，具有微米、纳米精度的加工，毫米级的体积。

（2）集成化。

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，或形成微传感器阵列、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。

即实现微机械、微电子技术集成。

（3）低成本。

用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型电子机械装置或完整的MEMS器件，生产成本低，生产周期短，性能一致性好，对环境的损害小等。

即通过单硅片批量加工，降低成本。

2．MEMS的发展历程及国内外发展现状（1）MEMS的发展历程2001年6月在德国慕尼黑举行的国际固态传感器与执行器学术会议中，正式提出了微传感器的概念，并兴起了引入微机电系统技术研究微传感器的热潮。

受航空、航天、军事工业等高精尖技术需要驱动，在近20年的发展中，MEMS得到了极好的发展，并正以惊人的速度快速发展。

在技术发展中，由于受多个领域的工业基础限制，目前欧美军事强国发展成果最为突出。

我国随着航空军事工业的推动，也取得了相当好的成果。

MEMS经历了如下5个突破性发展阶段。

第一阶段：20世纪70年代，微机械压力传感器的成功研制；第二阶段：20世纪80年代，硅静电微电动机成功研制；第三阶段：20世纪90年代，喷墨打印头、硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产；第四阶段：2001年，在航空、航天、军事、汽车、医学等领域得到应用；第五阶段：2010年，在手机、相机等民用领域得到广泛应用。

微机电系统（MEMS）技术介绍微机电系统（MEMS），在欧洲也被称为微系统技术，或在日本被称为微机械，是一类器件，其特点是尺寸很小，制造方式特殊。

MEMS是指采用微机械加工技术批量制作的、集微型传感器、微型机构、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。

MEMS 器件的特征长度从1毫米到1微米--1微米可是要比人们头发的直径小很多。

MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其它结构。

然而，MEMS器件加工技术并非机械式。

相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。

今天很多产品都利用了MEMS技术，如微换热器、喷墨打印头、高清投影仪的微镜阵列、压力传感器以及红外探测器等。

MEMS技术可以用于制造压力传感器、惯性传感器、磁力传感器、温度传感器等微型传感器，这些传感器以及它们的部分信号处理电路都可以在只有几毫米或更小的芯片上实现。

与传统的传感器相比，MEMS传感器不仅体积更小、功耗更低，而且它们往往会比传统传感器更加准确、更加灵敏。

随着人们对海洋观测的需求不断增加和海洋观测技术的不断发展，MEMS技术也在逐渐进入海洋观测技术研究领域。

一、MEMS概念“他们告诉我一种小手指指甲大小的电动机。

他们告诉我，目前市场上有一种装置，通过它你可以在大头针头上写祷文。

但这也没什么；这是最原始的，只是我打算讨论方向上的暂停的一小步。

在其下是一个惊人的小世界。

公元2000年，当他们回顾当前阶段时，他们会想知道为何直到1960年，才有人开始认真地朝这个方向努力。

”——理查德·费曼，《底部仍然存在充足的空间》发表于1959年12月29日于加州理工大学（Caltech）举办的美国物理学会年会。

但我们可能会问：为什么要在这样一个微小尺上生成这些对象？MEMS器件可以完成许多宏观器件同样的任务，同时还有很多独特的优势。

这其中第一个以及最明显的一个优势就是小型化。

mems微机电系统名词解释MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统）是一种集成微型机械、电子与传感器功能于一身的微型设备。

它结合了传统的机械制造技术、半导体工艺和微纳米技术，将微型机械部件、传感器、电子电路以及微纳加工技术集成在一个晶圆上，以实现微型化、多功能化和集成化的目标。

以下是一些与MEMS相关的名词解释：1. 传感器（Sensor）：一种能够感知并转换外部物理量、化学量或生物量的设备，可以将感应到的物理量转化为电信号。

2. 执行器（Actuator）：一种能够接收电信号并将其转化为相应的机械运动的设备，用来实现对外界的控制或作用。

3. 微型机械（Micro-Mechanical）：指尺寸在微米或纳米级别的机械部件，由微细加工技术制造而成，具有微小、精确和高效的特点。

4. 纳米技术（Nanotechnology）：一种研究和应用物质在纳米尺度下的特性、制备和操作的技术，常用于MEMS器件的加工制造。

5. 惯性传感器（Inertial Sensor）：一种基于测量物体运动状态和变化的MEMS传感器，如加速度计和陀螺仪。

6. 压力传感器（Pressure Sensor）：一种可以测量气体或液体压力的MEMS传感器，常用于汽车、医疗、工业等领域。

7. 加速度计（Accelerometer）：一种测量物体在空间中加速度的MEMS传感器，常用于移动设备、运动检测等应用。

8. 微镜（Micro-Mirror）：一种利用MEMS技术制造的微型反射镜，通常用于显示、成像和光学通信等应用。

9. 微流体器件（Microfluidic Device）：一种用于实现微小流体控制的MEMS器件，常用于生化分析、药物传递和微生物学研究等领域。

10. 无线传感器网络（Wireless Sensor Network）：一种由多个分布式的MEMS传感器节点组成的网络系统，可以实现对环境信息的实时采集、处理和通信。

微机电系统(mems)工艺基础与应用
微机电系统（MEMS）是指将微型机械元件、微电子元件、微光学元件、微流体元件及其它微加工技术相集成而成的系统。

它既是微电子技术、光学技术、力学技术、材料科学技术的综合，又是精密制造技术、微加工技术与传感器技术的相结合。

本文将对MEMS的工艺基础及其应用进行探讨。

一、MEMS的工艺基础 1.硅微加工技术 MEMS的制造材料主要是硅微电子材料及其它材料，硅微加工技术是MEMS 的核心技术。

硅微加工技术的主要工艺流程包括光刻、蚀刻、金属沉积、制膜、扩散、离子注入等。

2.压力传感器的制造工艺 MEMS的压力传感器主要采用压阻效应制作。

它的基本原理是利用极细硅悬臂梁作为传感器，在外界压力下悬臂梁弯曲，悬臂梁两端的电阻发生变化，进而反映出压力。

二、MEMS的应用 1.生物医学及生物传感技术应用MEMS技术制造的微型传感器，可以在细胞水平上检测微小的信号变化，诊断疾病、研究生物学行为。

2.汽车及工业应用汽车领域是MEMS技术的主要应用领域之一。

MEMS技术应用于汽车系统中，可以制造出精密的安全气囊、一个小孔的喷油嘴、传感器等元件。

3.消费市场在消费市场上，MEMS技术的应用范围同样广泛。

借助MEMS技术，可以生产出更小、更趋近于无形的产品，如MEMS振动器、MEMS加速计、MEMS麦克风。

总之，MEMS技术的应用范围和前景十分广阔，它在不断地为各个领域带来更多革命性的变革和新的想象空间。

同时，要想在MEMS领域取得更为显著的进展，需要更多的前沿科技、人才、资金等方面的支持和加速发展。