MEMS技術(shù)，讓世界盡在“掌”握

王懿

這個(gè)世界正在小型化！微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的誕生，為人類(lèi)實(shí)現(xiàn)世界盡在“掌”握中，提供了無(wú)限的可能……

看智能手機(jī)傳感器微結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)療基因測(cè)序芯片、美容護(hù)膚納米3D細(xì)胞打印、智能灰塵、納/皮型衛(wèi)星……這些曾只出現(xiàn)于科幻電影的超級(jí)夢(mèng)想，都正借助MEMS技術(shù)一一實(shí)現(xiàn)。MEMS當(dāng)之無(wú)愧被譽(yù)為微納制造技術(shù)之“明珠”！

什么是MEMS？

MEMS器件陣列（如圖，中央的正方體組件）

MEMS的英文全稱(chēng)是Micro-Electro-Mechanical Systems，中文全稱(chēng)是微機(jī)電系統(tǒng)，在歐洲或被稱(chēng)為微系統(tǒng)，在日本或被稱(chēng)為微機(jī)械。

MEMS是能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械、力學(xué)等功能的特殊半導(dǎo)體元件，主要包括傳感器和執(zhí)行器兩大類(lèi)，二者又統(tǒng)稱(chēng)為換能器（即Transducer）。所謂換能器，是將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的裝置。

MEMS集中了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果，涉及多種學(xué)科和工程技術(shù)，具有體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格低、集成度高、可批量制造等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、健康醫(yī)療、航空航天和軍事國(guó)防等領(lǐng)域市場(chǎng)廣闊。

自20世紀(jì)80年代中后期MEMS技術(shù)崛起以來(lái)，其發(fā)展極為迅速，被認(rèn)為是繼微電子后又一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，已成為21世紀(jì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)和提高國(guó)防軍事能力的重要技術(shù)途徑。

三大優(yōu)勢(shì)

使MEMS賺足眼球

雖然，不同MEMS器件的技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化原因并不完全相同。但是，MEMS器件和微加工技術(shù)的三個(gè)重要特點(diǎn)非常引人矚目，被業(yè)內(nèi)人士戲稱(chēng)為“3M”，即小型化（Miniaturization）、微電子集成（Microelectronics Integration）和高精度的批量制造（Mass Fabrication with Precision）。

小型化

典型MEMS器件的長(zhǎng)度約為1微米至1厘米。當(dāng)然，MEMS器件陣列或整個(gè)MEMS系統(tǒng)的尺寸會(huì)更大一些。小尺寸能夠?qū)崿F(xiàn)柔性支撐，帶來(lái)高諧振頻率、低熱慣性等優(yōu)點(diǎn)。如，微加工器件的熱傳遞速度通常更快。

然而，小型化帶來(lái)的并不全是更好的特性，也可能帶來(lái)問(wèn)題。有些在大尺寸下非常顯著的物理效應(yīng)，在器件尺寸變小后，性能可能變差。反之，有些器件在大尺寸下可忽略的物理效應(yīng)，在微觀(guān)尺寸范圍內(nèi)會(huì)突然變得顯著。就如跳蚤可跳過(guò)自身高度的幾十倍，而大象則根本不可能一樣。

近些年，業(yè)界已開(kāi)始研究特征尺寸在1納米至1微米之間的機(jī)電器件，以探索傳統(tǒng)MEMS尺寸進(jìn)一步減小后的尺度效應(yīng)。這類(lèi)器件和系統(tǒng)稱(chēng)為納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）。很多NEMS器件都是采用納米結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)制備的，如納米管。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，NEMS能提供MEMS所不具有的性能特點(diǎn)，如可達(dá)到吉赫茲（GHz）范圍的超高機(jī)械諧振頻率等。

?采用MEMS技術(shù)的血壓測(cè)量?jī)x

微電子集成

MEMS的另一亮點(diǎn)，是可以將傳感器和執(zhí)行器的機(jī)械元件與處理和控制電路同時(shí)集成在一顆芯片上。這種集成形式主要依托單片集成，即應(yīng)用整片襯底的加工流程，將不同部件集成在單片襯底上的方法;不包括機(jī)器拾取或人工裝配等混合組裝方法。單片集成的技術(shù)要求高，而光刻技術(shù)可確保器件尺寸和元件位置的精確性。

雖然不是所有的MEMS器件都要采用單片集成的方式，但是集成電路和機(jī)械元件單片集成的方式，已促進(jìn)了多種MEMS產(chǎn)品的商業(yè)化，如加速度計(jì)、壓力傳感器、數(shù)字微鏡陣列和噴墨打印頭等產(chǎn)品。

?智能手機(jī)成為推動(dòng)MEMS技術(shù)的新爆點(diǎn)

高精度的批量制造

MEMS制造技術(shù)是下至納米尺度、上至毫米尺度的微結(jié)構(gòu)加工工藝的通稱(chēng)。這項(xiàng)技術(shù)起源于半導(dǎo)體和微電子工藝，以光刻、外延、沉積、氧化、擴(kuò)散、注入、濺射、蒸鍍、刻蝕等為基本工藝步驟，用以制造復(fù)雜且高精度的二維和三維結(jié)構(gòu)，如倒金字塔狀的孔腔、高深寬比的溝道、硅通孔、懸臂梁和薄膜等。而傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)不能重復(fù)、高效率、低成本地加工這些微結(jié)構(gòu)。

類(lèi)似于集成電路（IC），MEMS器件一般都是在硅晶圓上批量制造而成的。批量制造可大大降低生產(chǎn)成本，而且地球表層硅的含量為2%，幾乎“取之不盡，用之不竭”，因此MEMS產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)性上更具競(jìng)爭(zhēng)力。但在某些領(lǐng)域，MEMS正在使用其他非硅材料，如聚合物和玻璃，以滿(mǎn)足生物檢測(cè)和光學(xué)系統(tǒng)的需求。

基于這三大亮點(diǎn)，使得MEMS器件具有廣闊的應(yīng)用前景。毫無(wú)疑問(wèn)，隨著研究的逐步深入，在未來(lái)，MEMS還會(huì)不斷有新的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用涌現(xiàn)。

MEMS的“前世今生”

MEMS概念假想始于1959年，著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼在美國(guó)加州理工學(xué)院進(jìn)行了題為《底部有充足的空間（Theres Plenty of Room at the Bottom）》的經(jīng)典演講。他在演講中提出在微納尺度上操縱物質(zhì)的可能性及將面臨的挑戰(zhàn)。

萌芽期

20世紀(jì)60年代起，此技術(shù)經(jīng)歷了20年的萌芽階段。這段時(shí)期開(kāi)展了一些有關(guān)MEMS的零散科學(xué)研究，如開(kāi)發(fā)了硅各向異性腐蝕技術(shù)，被用于在平面硅襯底上加工三維結(jié)構(gòu)。一些研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室也開(kāi)始用集成電路加工技術(shù)制造MEMS器件（如懸臂梁、薄膜和噴嘴）。MEMS傳感器的關(guān)鍵部件（如單晶硅、多晶硅中的壓阻）也被發(fā)現(xiàn)、研究和優(yōu)化。在這個(gè)階段，這些研究領(lǐng)域的名稱(chēng)并未統(tǒng)一，但體硅加工技術(shù)和表面硅加工技術(shù)卻迅速成熟起來(lái)。

到了20世紀(jì)70年代，IBM實(shí)驗(yàn)室的庫(kù)爾特·彼得森（Kurt Petersen）及其同事們研發(fā)了薄膜型（Diaphragm-type）硅微加工壓力傳感器，采用體硅加工技術(shù)得到了非常薄且嵌入有壓阻傳感器的薄膜，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。這種壓力傳感器在血壓測(cè)量和工業(yè)控制上逐漸被應(yīng)用，是MEMS技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化的標(biāo)志性實(shí)例。

除了壓力傳感器，噴墨打印頭也是萌芽階段的重要成果之一。如今，噴墨打印機(jī)已經(jīng)是激光打印機(jī)的廉價(jià)替代技術(shù)，它不但性能好，而且可提供高品質(zhì)的彩色打印。1978年，惠普公司首先發(fā)明了基于MEMS技術(shù)的噴墨打印頭。它采用硅微機(jī)械加工技術(shù)，可以制造出尺寸非常小的噴嘴陣列，而且這些噴嘴陣列可排列得非常精密，這對(duì)實(shí)現(xiàn)高分辨率和高對(duì)比度打印非常之重要。

硅材料奠定地位

20世紀(jì)80年代后期，科研人員主要研究硅作為MEMS制作材料的應(yīng)用—單晶硅襯底或多晶硅薄膜。因?yàn)榧呻娐返膹V泛采用，這兩種材料比較容易得到。單晶硅用作集成電路襯底，多晶硅用作晶體管的柵電極。1984年，彼得森發(fā)表了一篇重要論文《硅作為機(jī)械材料》，隨著MEMS研究的迅猛發(fā)展，該文從90年代至今仍被廣泛引用。

1989年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校首次研制出了表面硅加工的多晶硅靜電電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的直徑小于120微米，厚度僅為1微米，在350伏的三相電壓驅(qū)動(dòng)下，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)500轉(zhuǎn)/分鐘。雖然當(dāng)時(shí)這種電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用有限，但它卻著實(shí)激起了科學(xué)界和普通大眾對(duì)MEMS的熱情。

20世紀(jì)90年代，全球MEMS研究進(jìn)入了突飛猛進(jìn)、日新月異的階段。各國(guó)政府和私人基金機(jī)構(gòu)都設(shè)立相關(guān)基金以支持MEMS研究工作。一些企業(yè)的科研投入開(kāi)始有了產(chǎn)出。非常成功的例子有Analog Devices公司生產(chǎn)的用于汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)的集成慣性傳感器，以及德州儀器用于投影顯示的數(shù)字微鏡陣列。

光學(xué)MEMS與生物MEMS

20世紀(jì)90年代后期，光學(xué)MEMS發(fā)展迅速。世界各地的科研人員競(jìng)相開(kāi)發(fā)微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS），希望將二元光學(xué)透鏡、衍射光柵、可調(diào)光微鏡、干涉濾波器、相位調(diào)制器等部件應(yīng)用于光學(xué)顯示、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、可調(diào)濾波器、氣體光譜分析儀和路由器等領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)和個(gè)人無(wú)線(xiàn)通信的迅速發(fā)展，光學(xué)MEMS大規(guī)模商業(yè)化研究變得如火如荼。

此外，生物MEMS和RF MEMS（用MEMS技術(shù)加工的射頻產(chǎn)品）的研究工作也在進(jìn)行中。生物MEMS主要涉及生物學(xué)研究、醫(yī)療診斷和臨床介入等領(lǐng)域，典型應(yīng)用如視網(wǎng)膜植入、神經(jīng)探針、藥物注射微針陣列、嵌入式生物傳感器，以及含有傳感器的智能手術(shù)工具等。RF MEMS主要包括繼電器、可變電容和電感、諧振器、濾波器及天線(xiàn)等。

21世紀(jì)，MEMS的舞臺(tái)

進(jìn)入21世紀(jì)后，以智能手機(jī)為代表的消費(fèi)電子掀起了新一波產(chǎn)業(yè)化發(fā)展浪潮，加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、MEMS麥克風(fēng)等產(chǎn)品在市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)。

這波浪潮中的開(kāi)拓“功臣”，應(yīng)歸功于加速度計(jì)。正是因?yàn)橛辛嘶诩铀俣扔?jì)的Wii（任天堂推出的第5代家用游戲機(jī)）的誕生，讓市場(chǎng)認(rèn)可了MEMS技術(shù)進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)的可能。

2007年，日本任天堂公司憑借此技術(shù)，一舉拿下了2100萬(wàn)部的產(chǎn)品銷(xiāo)量，使視頻游戲產(chǎn)業(yè)的銷(xiāo)售額破了179億美元的紀(jì)錄。該產(chǎn)品如此成功，最主要的因素之一便是采用了以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)所構(gòu)建的三軸加速度計(jì)。

如今，國(guó)外以iPhone為代表的智能手機(jī)、智能可穿戴設(shè)備、智能家居、無(wú)人駕駛汽車(chē)、生物醫(yī)療、航天航空等領(lǐng)域，都已大量運(yùn)用了各種MEMS器件，越來(lái)越多的新生事物也正推動(dòng)MEMS市場(chǎng)的新一輪爆發(fā)性增長(zhǎng)。