微機械

微電子機械系統 ( Micro Electro - Mecba6ical System, MEMS ) ，簡稱微機械，是以微電子技術和微加工技術為基礎的一項新技術。早在六十年代，隨著微電子技術的產生和發展，一些富有創見的科學家便開始探索用硅微加工的方法製作感測器、執行器和控制器，並設想將它們集成在一個微小的幾何空間內，從而形成高度自動化、智能化，可以大批生產，價格低廉的微電子機械系統。但在這個階段，尚不具備成熟的用於製作微機械結構和器件的加工技術。微機械僅僅是一種概念或設計思想。八十年代，大規模集成電路技術己經成熟，人們用IC工藝成功地製作出了微機械壓力感測器以及微鉸鏈、微連桿、微齒輪等等一系列微機械零部件。微機械是在八十年代後期崛起的一門新興的前沿學科。

早在1941年就出現了半導體感測器—光敏電阻，但直到70年代集成電路出現以後它才得到發展。晶體管和集成電路的發明一方面促進了電子電路和結構型感測器的結合，另一方面使人們能夠利用固態物性來製作感測器，從而導致了物性型感測器的出現，其中半導體感測器是最重要的一種。因為半導體材料(特別是硅)對力，熱，磁等多種信號有敏感特性，而且可以利用開發集成電路的先進工藝技術，目前半導體感測器有立敏，光敏，磁敏，氣敏，離子敏，生物敏等多種類型的產品。由於可以採用平面工藝，半導體感測器還具有微型化的潛力。經過不斷地努力，人們研製出了多種微型感測器，部分還集成了簡單的信號處理電路，同時也為微機械加工(Micro Machining)技術的出現奠定了基礎。隨著微機械加工技術的內容不斷擴充，水平不斷提高，微機械加工技術成為力敏感測器的關鍵技術，並擴展了應用範圍。

微機械加工技術的迅速發展導致了微執行器的誕生。人們在實踐中認識到，硅材料不僅有優異的電學和光學性質。微機械加工技術的出現，使得製作硅微機械部件成為可能。在80年代初，一些有遠見的科學家提出了微機械執行器的概念。1987年，加州大學伯克利分校的范龍生等人用表面微機械加工的方法製成了多晶硅齒輪，引起了國際學術界的震動。隨後，汽車用微機械多路絕壓感測器投入批量生產，從而表明MEMS技術作為一個重要的交叉學科出現了。

1988 年，美國加洲大學伯克利分校又首先用 IC工藝研製成功了60um的靜電微電機。這一成果使世界為之轟動，它標誌著微機械技術己經發展成了一門獨立的新興學科。人類在認識與改造微觀世界方面的能力也進入了一個新的階段目前，作為二十一世紀的高新技術和潛在的龐大高新技術產業，微機械己引起世界各國的普遍關注，國內外眾多的大學、科研和產業部門都正在進行廣泛深入的研究。微型機械不是傳統機械單純地在尺度上微小型化，當特徵尺寸達到微米級后，微型機械的力學系統特徵、材料的物理性質及其對環境變化的響應與傳統機械都有很大不同，它通常是指可以成批製作的集合微機構、微驅動器、微能源以及微感測器和控制電路、信號處理裝置等於一體的微型機電系統，因而它遠遠超出了傳統機械的概念和範疇。微機械學就是在研究微尺度力學特性和微構件機械特性的基礎上進行微型機械的分析與設計，開發出與傳統機械的結構、材料、功能和原理不同的機械裝置。

自1947年Schockley、Bardeen和Brattain發明晶體管以來，微電子技術有了突飛猛進的發展。1953年，Charles S. Smith研究了半導體的壓阻效應。Kulite公司於1970年和1976年，分別引入了各向同性和各向異性腐蝕技術。國家半導體公司於1974年將大批量生產的壓力感測器推向市場。1982年，“微機械”這一名詞應運而生。這時，體硅微機械加工技術已成為製作微機械器件的有效手段。1985年，犧牲層技術被引入微機械加工，“表面”微機械加工概念由此產生。1987年，U. C. Berkeley利用微機械加工技術製作出了世界上第一個微靜電馬達，掀開了微機械發展的新一頁。1987-1988年間，一系列關於微機械和微動力學的學術會議召開，MEMS一詞在這些會議中被廣泛採納並漸漸成為一個世界性的學術用語。1993年，ADI公司成功地將微型加速度計商品化，並大批量應用於汽車防撞氣囊，標誌著MEMS技術商品化的開端。

由於 MEMS 具有的劃時代的意義，世界各國都極為關注其發展，在人力和物力兩方面均給予了強有力的支持。據有關機構統計，MEMS研發活動最積極的國家和地區依次為美國、德國、日本、斯堪的納維亞地區、法國、中國、韓國、英國、瑞典和中國台灣地區。

微型機械具有廣闊的應用前景，它的出現無疑將深刻影響國民經濟和國防工業各個部門的未來發展。微電機是一種獨立的微小型化的機電系統，主要由微驅動器，微感測器，微執行器、微控制器以及能源等幾種要素組成。以微電機為代表的微驅動器一直是微機械系統的關鍵技術和研究熱點之一，微電機的技術水平在一定程度上反應了一個國家微機械發展的側面。電磁微電機具有一些其他類電機無法比擬的優點，是目前最有前途的微驅動器之一。十幾年來，人們己經設計製作出了多種形式和結構的電磁微電機，但是有關電磁微電機的設計理論和實驗研究仍然處於探索完善階段目前，微機械的結構尺寸尚無統一的標準。按照一種習慣劃分，結構尺寸在 1 毫米～1 0 毫米的，稱為微小機械 ( Minimechanism) ； 1微米～1毫米的稱為微型機械 ( Submicromechansm ) ，統稱為“微機械” 。0.1納米～0.1微米的稱為納米機械。

MEMS第一輪商業化浪潮始於20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻矽片結構和背蝕刻膜片製作壓力感測器。由於薄矽片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。後來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用於觸發汽車安全氣囊和定位陀螺儀。

第二輪商業化出現於20世紀90年代，主要圍繞著PC和信息技術的興起。TI公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨列印頭現在仍然大行其道。

第三輪商業化可以說出現於世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。儘管該市場現在蕭條，但微光學器件從長期看來將是MEMS一個增長強勁的領域。

推動第四輪商業化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在矽片上製作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的“片上實驗室”生化藥品開發系統和微型藥品輸送系統的靜態和移動器件。近來對MEMS關注的提高部分來自於表面微加工技術，它把犧牲層(結構製作時使其它層分開的材料)在最後一步溶解，生成懸浮式薄移動諧振結構。

（1）研究方向多樣化。從歷次大型MEMS國際會議的論文來看，MEMS技術的研究日益多樣化。MEMS技術涉及的領域主要包括慣性器件(如加速度計與陀螺)、原子力顯微鏡、數據存儲、三維微型結構的製作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學器件、各種執行器、微型機電器件性能模擬、各種製造工藝、封裝鍵合、醫用器件、實驗表徵器件、壓力感測器、麥克風以及聲學器件等。內容涉及軍事、民用等各個應用領域。

（2）加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結合等，而具體的加工手段更是多種多樣。

（3）系統單片集成化。一般感測器的輸出信號(電流或電壓)很弱，若將它連接到外部電路，則寄生電容、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號，因此採用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質量很高的感測器，只有把兩者集成在一個晶元上，才能具有最好的性能。

（4）MEMS器件晶元製造與封裝統一考慮。MEMS器件與集成電路晶元的主要不同在於：MEMS器件晶元一般都有活動部件，比較脆弱，在封裝前不利於運輸。所以，MEMS器件晶元製造與封裝應統一考慮。封裝技術是MEMS的一個重要研究領域，幾乎每次MEMS國際會議都對封裝技術進行專題討論。

（5）普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途(如航空、航天、軍事用)MEMS器件並存。例如加速度計，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應用於汽車安全氣囊等的具有很高經濟價值的加速度計，也有要求精度為10－8g的、可應用於航空航天等高科技領域的加速度計。對於陀螺，也是有些情況要求其精度為0.1°/小時，有的則只要求10000°/小時。