MEMS技术及应用的新进展

　　微电子机械系统(MEMS)是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。1959年,美国物理学家R.Feynmam提出了制造微型机械的设想。1962年第一个硅微型压力传感器问世,其后微梁、微齿轮等微型机构又开发成功。1988年,美国加州大学伯克利分校研制出直径为60～120μm的硅微型静电电机[1],引起了人们的极大关注。1989年, NSF召开了研讨会,其总结报告提出了“微电子技术应用于电子、机械系统”,自此MEMS成为一个新的学术用语[2]。到20世纪末,MEMS技术已逐渐形成一门独立学科,得到广泛的应用。根据NEXUS2002年市场调查结果[3],目前商业MEMS及其应用发展迅速,每年可销售1亿多个MEMS产品,2000年MEMS的销售额更是达到300亿美元,预计到2005年达到680亿美元。2002年5月在San Jose召开的MEMS传感器世界博览及研讨会提出了BioMEMS/BioSensor的新观念[4],探讨了MEMS在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。

　　1　MEMS技术

　　1.1　设计

　　MEMS的设计主要分四类:器件设计、电路设计、系统设计和封装设计[5]。设计必须考虑到MEMS制造对结构尺寸和材料性质的影响,要用微观科学来对MEMS进行计算分析。尽管可利用半导体设备来制造MEMS,但MEMS有与IC完全不同的失效机制和可靠性分析。现在,设计MEMS需要反复试验修改直到达到较为满意的结果,而要使MEMS成为一种成熟的技术,就必须加速发展一套设计规则、开发软件和模拟优化工具。MEMS发展初期,往往采用微电子和机械方面的设计工具,如VLSI、AutoCAD和ANSYS。随着相应基础研究的深入和MEMS设计经验的不断积累,MIT、MEMScaP、MCNC等研究机构开发了专门针对MEMS设计的软件[6]。它们基本都包含了电子、机械、热影响以及其他的物理机理,但在材料参数、设计细节、模拟等方面差异很大。只有像VLSI一样具有从系统、器件到工艺、版图、直至各级验证程序的整套设计工具,才可以快速设计和试制各种专用MEMS。

　　1.2　材料

　　现在MEMS的制备材料种类很多,如硅、硅的氧化物、氮化物、金属、塑料等[7],如何从众多材料中选择合适的材料是生产MEMS的重要环节。起初半导体的制造工艺促进了MEMS的发展,之后,利用非硅材料制备了MEMS标志着MEMS的出现。现在MEMS材料与工艺的发展已经超越了IC领域。国外已成功制得了金砂钢为基体的MEMS,且试验结果证实金砂钢是一种优秀的基体,比硅具有更高的工作温度。同样,人们利用塑料、玻璃以及陶瓷制得了MEMS[7～9]。最新报道[7]铝、铜、钴及铁等已经被应用到IC领域,L.A. Liew利用SiCN制得了MEMS。对其它金属和合金的微加工也已实现。形状记忆合金、磁性材料和压电材料已用在多种MEMS(如微流体泵和微阀)的致动器上,如氧化锌和锆钛酸铅(PZT)[10]是微泵中首选的压电材料。