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譯自: MEMS網(wǎng)站 譯者:yanghuanyu 未經(jīng)許可請(qǐng)勿轉(zhuǎn)載
什么是微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)？
微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)，是指運(yùn)用微制造技術(shù)在一塊普通的硅片基體上制造出，集機(jī)械零件、傳感器執(zhí)行元件及電子元件于一體的系統(tǒng)。機(jī)械及機(jī)電的裝置制成方式為：應(yīng)用集成電路制造工藝（如：cmos,bipolar,bicoms工藝）制做電子元件，同時(shí)應(yīng)用相應(yīng)的微細(xì)加工技術(shù)對(duì)硅晶片進(jìn)行選擇性刻蝕或沉積出新的結(jié)構(gòu)層的方法制造出械零件。微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)集成硅基微電子元件，它必定給幾乎所有產(chǎn)品帶來(lái)一場(chǎng)革命，它也使得 “片式系統(tǒng)（systems-on-a-chip）”變得現(xiàn)實(shí)可行。通過(guò)把微電子元件的計(jì)算能力和微傳感器的感覺(jué)能力及微執(zhí)行元件的控制能力集于一體，微電子機(jī)械系統(tǒng)具備了真正的發(fā)展細(xì)小產(chǎn)品的能力。微電子機(jī)械系統(tǒng)無(wú)論是在其被期望運(yùn)用的領(lǐng)域，還是在設(shè)備設(shè)計(jì)及制造方面，都體現(xiàn)出極大的差異也富有成果。由于微電子機(jī)械技術(shù)能將靈敏的感覺(jué)和控制功能與微電子元件集成為一體，它極大的拓寬了設(shè)計(jì)及運(yùn)用空間。
系統(tǒng)中，集成電路（IC）好比是“大腦”，而微電子機(jī)械技術(shù)則賦予了它眼睛和手臂，讓整個(gè)系統(tǒng)能夠感覺(jué)和調(diào)控周圍的環(huán)境。在最基本的系統(tǒng)構(gòu)成中，傳感器從環(huán)境中感覺(jué)到機(jī)械的、熱的、生物的、化學(xué)的、光學(xué)及電磁的變化；電子元件對(duì)傳感器獲得的信息進(jìn)行分析后作出判斷，并指揮執(zhí)行元件作出相應(yīng)的，或移動(dòng)或變換姿態(tài)或排序或跳躍或過(guò)濾的反應(yīng)，以此來(lái)調(diào)控周圍環(huán)境，達(dá)到預(yù)期的結(jié)果或目的。由于微電子機(jī)械系統(tǒng)采用了集成電路批量制造的技術(shù)，所以它可以用相對(duì)較低的成本把具有超前功能的可靠的復(fù)雜的系統(tǒng)置于一個(gè)小小的硅片上。微電子機(jī)械系統(tǒng)帶給科學(xué)和工程新的發(fā)現(xiàn)，例如用于DNA放大鑒定的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)微系統(tǒng)，微機(jī)械掃描隧道顯微鏡（SIMS），檢查危險(xiǎn)化學(xué)品和生物制劑的生物芯片，以及用于high-throughput藥物監(jiān)視和挑選的系統(tǒng)。在工業(yè)領(lǐng)域，微電子機(jī)械設(shè)備在巨大的、以每年50%的驚人速度遞增的市場(chǎng)中扮演著不同的產(chǎn)品角色。作為一種突破性的技術(shù)，一種能對(duì)在目前如電子學(xué)與生物學(xué)般顯得毫不相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行非平行協(xié)同的技術(shù)，微電子機(jī)械系統(tǒng)將會(huì)運(yùn)用于更多的新的超越目前我們所認(rèn)知的范疇。
微電子機(jī)械系統(tǒng)工藝
| 集成電路制作工藝 |
微細(xì)加工工藝 |
| 氧化 |
批量微加工 |
| 發(fā)散 |
表面微加工 |
| 低壓化學(xué)氣相沉積 |
晶圓邦定 |
| 曝光 |
Deep Silicon RIE |
| Epitaxy |
立體印刷 |
| 濺鍍 |
微模成型 |
盡管微電子機(jī)械設(shè)備極其微?。ɡ缋梦㈦娮訖C(jī)械技術(shù)已能制造尺寸小于頭發(fā)絲直徑的電動(dòng)機(jī)）微電子機(jī)械技術(shù)卻作用巨大。再者,微電子機(jī)械系統(tǒng)的意義不僅僅只是制造以硅為材料的物體——縱然，硅是一種擁有優(yōu)異性能的材料，是在制作高性能機(jī)械時(shí)最具誘惑力的選擇（硅的單位質(zhì)量強(qiáng)度比高于很多工程材料，因此可以滿足較大范圍的機(jī)械設(shè)備的要求）。換句話說(shuō)，微電子機(jī)械系統(tǒng)是一項(xiàng)制造技術(shù)，一種制造復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)的新的方法，它具有類似集成電路的大批量制造工藝，并能把機(jī)電元件與電子元件整合為一體。
這項(xiàng)新的制造技術(shù)有著許多鮮明的優(yōu)點(diǎn)：首先，微電子機(jī)械系統(tǒng)是一項(xiàng)差異性極大的技術(shù)，它帶給各種商業(yè)及軍事產(chǎn)品極大的潛在的沖擊。微電子機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用于從居家使用的血壓監(jiān)控器到汽車懸掛系統(tǒng)的各類產(chǎn)品。微電子機(jī)械技術(shù)的實(shí)質(zhì)以及其廣闊的應(yīng)用范圍，使其比集成電路制作技術(shù)更具沖擊力。其次，微電子機(jī)械技術(shù)使復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)與集成電路間的界限變得模糊。一直以來(lái)，傳感器和執(zhí)行元件是大型電控系統(tǒng)中成本最昂貴，可靠性最差的部分。相對(duì)來(lái)說(shuō)，微電子機(jī)械技術(shù)保障了我們可以大批量制造如此復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，并使傳感器和執(zhí)行元件的成本與可靠性和集成電路保持在同一水平。有趣的是，雖然我們對(duì)微電子機(jī)械設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行要求高于大尺寸零件和系統(tǒng)，但卻希望它有一個(gè)相對(duì)低廉的價(jià)格。
我們可以把微電子機(jī)械加速度檢測(cè)表——其在汽車防撞氣囊安全系統(tǒng)中迅速代替了傳統(tǒng)的加速度檢測(cè)表——當(dāng)作近來(lái)體現(xiàn)微電子機(jī)械技術(shù)優(yōu)越性的例子。傳統(tǒng)方法使用一些由分離元件制成的單個(gè)的加速度檢測(cè)表，把他們和一些獨(dú)立的電子元件固定在汽車的前部，該系統(tǒng)成本超過(guò)50美元。而微電子機(jī)械技術(shù)卻可以把加速度檢測(cè)表和電子元件集成到一個(gè)硅片上，并將其成本控制在5-10美元以內(nèi)。這些采用微電子機(jī)械技術(shù)制成的加速度檢測(cè)表變得更小，更輕，功能更強(qiáng)大，更可靠。與傳統(tǒng)大尺寸加速度檢測(cè)表相比，其售價(jià)更便宜。采用微電子機(jī)械技術(shù)制成的加速度檢測(cè)表可望在隨后的幾年里完全取代傳統(tǒng)的裝置。微電子機(jī)械加速度檢測(cè)表價(jià)格的大幅下調(diào)，使得汽車制造商們可以考慮在汽車中設(shè)置防側(cè)撞氣囊安全系統(tǒng)。在以后幾年里，隨著微電子機(jī)械加速度檢測(cè)表的技術(shù)不斷改進(jìn)，系統(tǒng)感應(yīng)器可以檢測(cè)到乘客的體形和體重，并計(jì)算出系統(tǒng)最佳反應(yīng)方式，以減少在發(fā)生事故時(shí)因氣囊放置原因而導(dǎo)致的不必要的傷害。
微電子機(jī)械技術(shù)的機(jī)遇
隨著被大量的用于各類實(shí)踐，微電子機(jī)械技術(shù)帶給包括太空科技及生物技術(shù)在內(nèi)的所有事物巨大的沖擊，其注定會(huì)成為二十一世紀(jì)制造技術(shù)的代表。目前正處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段的微電子機(jī)械系統(tǒng)將釋放出新技術(shù)的潛能，給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和無(wú)數(shù)的商業(yè)機(jī)會(huì)，大量的新產(chǎn)品和數(shù)以千計(jì)的高薪工作機(jī)會(huì)。作為一種突破性的技術(shù)，一種能對(duì)在目前如微電子學(xué)與生物學(xué)般毫不相關(guān)的領(lǐng)域進(jìn)行非平行協(xié)同的技術(shù)，微電子機(jī)械系統(tǒng)被看作如其父輩集成電路技術(shù)一樣將會(huì)有一個(gè)商業(yè)及軍事的市場(chǎng)增長(zhǎng)。
半導(dǎo)體工業(yè)最大的貿(mào)易組織——半導(dǎo)體設(shè)備及材料國(guó)際(SEMI)，最近所做的市場(chǎng)調(diào)查指出，微電子機(jī)械設(shè)備工業(yè)將從今年19.3億美元的貿(mào)易額水平快速遞增至2000年的接近100億美元的水平（如下圖）。其他的一些市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告甚至預(yù)測(cè)了一個(gè)更高的增長(zhǎng)率。然而這些關(guān)于微電子機(jī)械設(shè)備銷售的市場(chǎng)數(shù)據(jù)并沒(méi)有反映事情的全部。90年代末使用微電子機(jī)械系統(tǒng)制造的新的或改進(jìn)后的工業(yè)系統(tǒng)和制藥系統(tǒng)的年銷售額已達(dá)1000億美元。而以上這些調(diào)查報(bào)告明顯的僅針對(duì)于微電子機(jī)械系統(tǒng)在壓力傳感器，慣性儀，流體控制，光學(xué)開(kāi)關(guān)，分析工具和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等范圍內(nèi)的應(yīng)用。因?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)新生的綜合性的技術(shù)，許多新的應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)，將會(huì)超出我們目前所認(rèn)知的市場(chǎng)范圍。
雖然微電子機(jī)械系統(tǒng)很大程度上借重于集成電路（IC）技術(shù)，希望微電子機(jī)械系統(tǒng)的主要應(yīng)用者不只限于那些傳統(tǒng)的電子公司和計(jì)算機(jī)公司。在受益于微電子機(jī)械系統(tǒng)的公司中大多數(shù)公司將會(huì)是系統(tǒng)集成商，生產(chǎn)汽車、科學(xué)分析儀、消費(fèi)類產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備、空間導(dǎo)航系統(tǒng)及類似的商業(yè)產(chǎn)品和軍事產(chǎn)品的制造商們。
目前對(duì)微電子機(jī)械技術(shù)的研發(fā)投入
用于微電子機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)的聯(lián)邦政府基金伴隨著全美工業(yè)在微電子機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域研發(fā)投入的的增加而大幅增加。在八十年代中后期，聯(lián)邦政府支持微電子機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)的資金主要來(lái)源于國(guó)家科學(xué)基金（NSF），這一資金到1991年已達(dá)2—3百萬(wàn)美元。到1995年，聯(lián)邦政府支持微電子機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)的投入增至三千五佰萬(wàn)美元，其中大約三千萬(wàn)美元來(lái)自美國(guó)國(guó)防部（DOD），其主要出資者為國(guó)防部先進(jìn)研發(fā)項(xiàng)目代理（Defense Advanced Research Project Agency）的電子技術(shù)辦公室（ETO）。
除政府基金外，美國(guó)工業(yè)對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的投入，目前估計(jì)每年已超過(guò)一億美元。這些投入大多針對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)的直接應(yīng)用，用相應(yīng)的微電子機(jī)械設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝（如：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、流量控制、光學(xué)開(kāi)關(guān)等）以降低成本，增加功能，提高可靠性
不獨(dú)只美國(guó)認(rèn)識(shí)到微電子機(jī)械系統(tǒng)具有潛在的沖擊力；日本和歐洲政府已經(jīng)把他們對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)的總的投入增加到每年七千萬(wàn)到一億美元的水平。日本政府在1991年開(kāi)始，以微型機(jī)械立項(xiàng)，主要通過(guò)其國(guó)際貿(mào)易及工業(yè)部對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行投入。日本國(guó)際貿(mào)易及工業(yè)部在微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)上獨(dú)樹(shù)一幟，不像美國(guó)和歐洲政府把微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)基礎(chǔ)建立在微電子技術(shù)之上，而是將其研發(fā)重點(diǎn)集中于縮小傳統(tǒng)的機(jī)電零件和系統(tǒng)。歐洲對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)研發(fā)投資的國(guó)家主要是德國(guó)、瑞士、荷蘭和法國(guó)，他們通過(guò)歐共體進(jìn)行合作以減少重復(fù)投資并提倡協(xié)同攻關(guān)，他們已在下列技術(shù)方面獲得了重大發(fā)展：deep reactive-ion etching for silicon、bonding aligners和平板印刷技術(shù)。歐共體和日本工業(yè)每年對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)投入估計(jì)已超過(guò)兩億美元，這些投入還在不斷增長(zhǎng)。
與集成電路工業(yè)在研發(fā)上的開(kāi)支相比，微電子機(jī)械系統(tǒng)的研發(fā)投入的規(guī)模顯得很小。當(dāng)然，微電子機(jī)械系統(tǒng)工業(yè)基礎(chǔ)也很小，還不足以維持較大的研發(fā)費(fèi)用。從其一開(kāi)始，微電子機(jī)械系統(tǒng)就可以借重于集成電路技術(shù)的發(fā)展。然而，隨著自身的進(jìn)步和集成電路制造舞臺(tái)的變化，這種借鑒已顯得不那么重要了。
目前面臨的挑戰(zhàn)
公司無(wú)論大小，其接觸微電子機(jī)械制造系統(tǒng)的機(jī)會(huì)都應(yīng)增加。目前，大多數(shù)希望開(kāi)發(fā)微電子機(jī)械系統(tǒng)潛能的公司在購(gòu)買原型制造和生產(chǎn)的設(shè)備時(shí)，可供選擇的設(shè)備極少?？梢钥隙ǖ氖?，微電子機(jī)械系統(tǒng)的最大受益者將主要是那些并不擁有微制造技術(shù)開(kāi)發(fā)能力或核心技術(shù)的公司，接觸微電子機(jī)械系統(tǒng)的通道是他們成功運(yùn)用該技術(shù)的關(guān)鍵。因此，建立一種機(jī)制用以保障這些公司和原型制作與生產(chǎn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備之間的接觸通道是基本的，必要的。
迫切需要用于微電子機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)的模擬工具和模型建立工具。目前，大多數(shù)微電子機(jī)械設(shè)備都是用功能差的不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)執(zhí)行情況的分析工具來(lái)建立的。因此，微電子機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常采用試驗(yàn)排出錯(cuò)誤的方法進(jìn)行，往往需要多次反復(fù)的試驗(yàn)最后才能滿足一個(gè)特定設(shè)備的運(yùn)行條件。對(duì)開(kāi)發(fā)商業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，這種瞎撞的設(shè)計(jì)方法、長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期以及微電子機(jī)械系統(tǒng)原型機(jī)的高昂費(fèi)用導(dǎo)致了一種效率極為低下的、不切實(shí)際的情況。只有運(yùn)用合適的開(kāi)發(fā)工具，并配以連通高性能工作站以及本地的和遠(yuǎn)程的超級(jí)計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)才能從根本上改變這種局面。
微電子機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)的包裝目前處于極原始的狀態(tài)，極待提高。與集成電路（IC）相比，微電子機(jī)械系統(tǒng)的包裝面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲㈦娮訖C(jī)械裝置形狀差異大，并且部分裝置還要求放置于特定的環(huán)境中。當(dāng)前，幾乎每開(kāi)發(fā)一套微電子機(jī)械系統(tǒng)就需為其設(shè)計(jì)一個(gè)專用的包裝。因此，許多公司發(fā)現(xiàn)在整個(gè)微電子機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中包裝成為一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的工作。但與微電子機(jī)械產(chǎn)品自身的零件數(shù)量相比，包裝所需的模具及工具實(shí)在是微不足道。另外，容許設(shè)計(jì)者從已有的標(biāo)準(zhǔn)包裝中挑選出新的微電子機(jī)械設(shè)備的包裝也不失為較好的辦法
微電子機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)工作必須從其復(fù)雜的制作過(guò)程中分離出來(lái)。目前，要完成一個(gè)成功的設(shè)計(jì)就要求設(shè)計(jì)者對(duì)微細(xì)加工有很高的認(rèn)識(shí)水平，因?yàn)榧词故亲钇胀ǖ奈㈦娮訖C(jī)械設(shè)備都需要付出努力去制訂一套合理的加工工藝。與制造分開(kāi)的設(shè)計(jì)工具和方法，可以減少設(shè)計(jì)者為成功實(shí)現(xiàn)微電子機(jī)械設(shè)備所需的時(shí)間與精力。這也使得僅經(jīng)過(guò)一次或極少次數(shù)的反復(fù)就可完成更多的可加工的設(shè)計(jì)，變得稀松平常。由于具有廣泛的細(xì)微加工知識(shí)不再是開(kāi)始設(shè)計(jì)的先決條件，使更多的設(shè)計(jì)者能夠加入到設(shè)計(jì)行列中來(lái)，這也使得設(shè)計(jì)更具有創(chuàng)造性和革新性。再之，與制造分離的設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在不增加開(kāi)發(fā)時(shí)間和費(fèi)用的情況下提高設(shè)計(jì)的整和水平。為變得更實(shí)用，該系統(tǒng)應(yīng)能讓設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中就能了解其設(shè)計(jì)的加工工藝性，也能讓制造專家為設(shè)計(jì)者提供必要的支持功能。
微電子機(jī)械技術(shù)還需要品質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，無(wú)論是學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)或是商業(yè)系統(tǒng)制造的微電子機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量都較差。部分原因是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)太新以至于制造者仍不知道怎樣去規(guī)范質(zhì)量怎樣去做檢測(cè)。
需要增加在國(guó)立大學(xué)受過(guò)良好培訓(xùn)的工程師和專家的數(shù)量。目前畢業(yè)于國(guó)立大學(xué)微電子機(jī)械技術(shù)人員的數(shù)量遠(yuǎn)不能滿足支持微電子機(jī)械技術(shù)工業(yè)發(fā)展的需要。培養(yǎng)微電子機(jī)械工程師和專家的傳統(tǒng)方法是在一些研究學(xué)院開(kāi)展研究生教育，由一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的微電子機(jī)械技術(shù)人員帶領(lǐng)學(xué)生去設(shè)計(jì)、制做和測(cè)試一些新的、獨(dú)特的、有前途的微電子機(jī)械設(shè)備。這樣的方法培養(yǎng)一個(gè)研究生的成本高，周期長(zhǎng)。需要新的方法來(lái)增加微電子機(jī)械工程師和專家的數(shù)量，同時(shí)又能降低成本提高教育質(zhì)量。 | 