微电子机械技术的研究和发展趋势

　　0　引　言

　　微电子机械系统(MEMS)通常指的是特征尺度大于1μm小于1 mm,结合了电子和机械部件并用IC (集成电路)集成工艺加工的装置[1],它的出现是社会需要和技术发展共同作用的产物。随着社会的不断发展,人们对生活的要求也越来越高,这势必要消耗大量的能源,同时还必定伴随着对环境的破坏,因此现代社会的发展必须以提高效率为方向[2],相应的新技术必须要比现有的系统功能更强,同时还必须消耗少的能源。

　　微小系统恰好是这样的一个新技术,它主要包含着一个小的概念,具有如下几个特点: (1)质量和尺寸的减少; (2)低的生产成本, 这包括低的能源消耗,较少的用材; (3)可以避免或者少用贵重的和对环境有损害的材料; (4)易于处理和长的寿命; (5)小而且标准的电路避免了复杂的线路和外围结构。由于微小系统符合了人类寻求低消耗、高效率的器件和系统这一方向,因此对它的需求也就显得十分紧迫,比如在许多大的系统和器件中,控制元件就特别需要尺寸更小功能更强的传感器、分析仪器和驱动器。社会的需要必须伴随着技术的不断响应才能实现。 MEMS正是伴随着Si材料及其加工技术和系统及IC 技术的成熟而发展的。

　　1　MEMS的基本概念

　　微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS,美国惯用词)又称微机械(Micromachine,日本惯用词)和微系统(Microsystems,欧洲惯用词),是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微致动(亦称微执行器)器、微能源等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。以微机械为研究对象的微机电系统技术涉及多种学科,主要包括微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物、以及材料科学等基本内容,是一个多学科、高技术的边缘学科。在微小尺寸范围内,机械依其特征尺寸可以划分为1~10 mm的小型机械, 1μm~1 mm的微型机械以及1 nm~1μm的纳米机械。所谓MEMS从广义上包括了微型机械和纳米机械,但并非单纯微小化,而是指采用微机械加工技术可以批量制作的,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和微型系统。

　　2　MEMS的研制背景

　　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。

　　2.1　需求牵引是MEM S发展的源泉

　　随着人类社会全面向信息化迈进,信息系统的微型化、多功能化和智能化是人们不断追求的目标,也是电子整机部门的迫切需求。信息系统的微型化不仅使系统体积大大减小、功能大大提高,同时也使性能、可靠性大幅度上升,功耗和价格却大幅度降低。目前,信息系统的微型化不单是指电子系统的微型化,如果相关的非电子系统不小下来,整个系统将难以达到微型化的目标[2]。电子系统可以通过采用微电子技术达到系统微型化的目标,而对于非电子系统来说,尽管人们已做了很大努力,其微型化程度远远落后于电子系统,这已成为整个系统微型化进一步发展的“瓶颈”[3]。