微电子机械系统进展和趋势

　　对微电子机械系统(MEMS)，我们理解为：一种集成微电子器件(包括1C)和微机械器件的系统;系统中的微机械器件与微电子器件有相同量级的尺寸;并且都是用微加工技术(微电子技术和微机械技术)制造出来的;系统中的微机械器件是由微电子器件测量或控制的。也有人理解为：是一种集成微电子器件和微机械器件的系统，但两者尺寸不一定有相同量级;微机械器件由微电子器件控制，但不一定用微机械技术制造。也有人把凡是用微电子技术和微机械技术制造出来的微敏感器件和微执行器都称为MEMS，分别称为敏感器件式MEMS和执行器式MEMS。本文以下的讨论是根据上述第一种理解而进行的。

　　从1960年发展起来的微电子器件(包括1C)和微电子技术，今天已构成了人类文明的基础，其重要性将不在本文中讨论。微机械技术几乎与微电子技术同时起步，最初用于生产固态压力传感器。到1987年，第一个可动微机械结构用表面微机械技术制造出来，次年，1988年又制造出了多晶硅静电马达W,导致了MEMS器件的诞生。

　　根据以上我们的理解，固态压力传感器不能算是MEMS器件，而是一个机械量敏感器件，因为其中没有微电子器件去控制微机械结构;另一方面，目前的微马达还不能算是MEMS器件，而是一个构成MEMS的典型器件一微执行器，因为其中没有控制马达运动的微电子器件。

　　从Petersen发表奠定MEMS基础的经典论文M和1988年制出微马达至今，十余年来，MEMS取得了相当大的进展：发展了好多种新技术;设计和制造了很多种新MEMS器件，其中若干种已商品化;目前国际上各发达国家的大公司和研究机构都开展了MEMS研究，各种学会每年多次举行会议，各种新期刊纷纷出版;政府和产业部门也大力支持。可以这样说，MEMS正处在大突破的前夜。

　　本文中，我们拟对MEMS器件的进展和趋势提出一些观点性意见，限于篇幅，我们将不详细讨论MEMS的具体技术问题。

　　2制造MEMS器件的微机械技术和特点MEMS器件基于两大技术，微电子技术和微机械技术，后者又可分为体微机械技术和表面微机械技术。所谓体微机械技术，处理的是体单晶Si,而表面微机械技术，则在Si衬底的表面上做文章，淀积薄膜，对薄膜进行加工。本质上，这些技术都是利用Si的平面技术。平面技术的特点是高度精密可控、批量、集成生产。但正是因为基于Si的平面技术，微机械技术难以制造出高的深宽比的结构，或者说，微机械技术原则上只能制造二维或准三维的结构，而不能制造真正髙的深宽比的三维结构。

　　因此，不能把微机械技术理解为通常精密机械加工技术的缩小。另外，这种技术加工出来的微结构部件，很难用组装技术灵活地组装成MEMS器件。可以这样说，MEMS器件不怕用“二维”或平面技术，不怕其步骤多、工艺周期长，但怕用高的深宽比“三维”技术，越深越难。

　　3MEMS器件的特点

　　当八十年代末做出多晶硅静电微马达和微谐振器这类微执行器后，人们曾寄予很大期望：能像宏观机械那样起到传递力矩的作用。以后发现这类器件的力矩非常小，而摩擦力远远超过预期理论值。人们只考虑MEMS器件会运动还不行，还必须面对力矩小、输出功率低的问题。因此，不能像传统机械那样去对待微机械。

　　应用永远是任何新技术的推动力。做出来的MEMS器件如何实用，做什么样的MEMS器件才能实用，就一直是人们研究、讨论的问题，并一直为此作出努力。将MEMS器件推向应用，有二个途径。一是制造输出功率大、力矩大的MEMS器件。例如，用双金属片受热产生的力足以实用，可作开关的阀门。目前已经有商品的微机械阀131。形状记忆合金也可作类似用途。在微马达方面，除微静电马达外，也曾设计、制造了微电磁马达141，其力矩比静电马达的力矩提高了几个数量级，但还不能实用，而且需用到LIGA技术，与平面工艺不相容，在设计和制造上有许多问题。最近，又在研究制作微压电马达151。另一个途径是面对MEMS器件的特点，打开应用局面，不寄希望于像传统机械那样靠直接机械耦合利用其输出力矩，而是靠间接的电的、光的或磁的讯号利用其输出，如果有力矩输出的话，则是小力矩的场合。

　　基于这些特点，现在MEMS器件的研究，主要朝着寻找特殊的、适合微机械应用的场合而展开。综上所述，微机械技术与微电子技术类似，也具有高精度、集成化、批量生产特点，但受平面工艺和材料力学性能限制，MEMS只具有低的输出功率，同时易受外界环境如灰尘、湿度的影响。MEMS器件中既有微机械器件，又有微电子器件，有时还有微敏感器件，是一个集成系统器件，与外界的耦合应多考虑利用光、电、磁等非直接耦合的效应。简单地说，要利用其特点而避免其短处。当然，也不排斥研究提髙MEMS器件力矩的问题。

　　4若干成功的MEMS器件十年来，已研究过的MEMS器件确实为数不少。限于篇幅，我们不拟详加介绍。目前，对MEMS器件而言，最突出的重要问题是打开应用局面，因此，我们这里挑选了若干成功的MEMS器件，这是已经商品化，或者即将商品化的器件，并且都是作为利用MEMS特点而避免其短处的典型器件。按其应用场合，分几方面予以介绍。

　　(1)作为惯性敏感参数测量的MEMS器件

　　力平衡式微加速度计是一个典型的MEMS器件，其中有梁/质量块的机械结构，有随加速度变化导致质量块位置变化而引起电容变化的微机械器件，周围的微电子讯号处理电路用以探测电容变化并可加偏置进行反馈控制质量块使其回到平衡位置。文献中提出了多种力平衡式加速度计，其中最为成功的是美国AD公司的ADXL50,它已在二年前商品化生产M。器件用多晶硅表面微机械技术制造，微电子部分用BICMOS1C工艺，工作量程50g，电源电压5V。器件芯片尺寸为3x3mm，封装于TO-100管壳内。目前商品价USD15元/只(随购买数目而变)。

　　力平衡式微加速度计是目前MEMS器件中最成功的例子。首先，它把早期研究的多晶硅微振子器件付诸实用。其次，质量块传递加速度是非接触的惯性力，而输出是非接触的电讯号，整个系统只需要简单的封装，只要保证微机械的性能不受环境影响即可。还有，最重要的，加速度计在一系列运动控制系统中有广泛应用。如果在汽车安全气袋中打开销路，其产量将是巨大的。现在可以说，全世界各发达国家，没有一个大公司或研究所不在这一器件上下功夫。

　　下一步这类器件就轮到陀螺计了。陀螺计在运动系统(如飞机、汽车等)中的稳定性控制、惯性力控制，家用电器(如摄象机)中的稳定性控制，计算机中的惯性鼠标，以及机器人和军事工业中有广泛应用。考虑到陀螺计中髙速旋转机构和轴承难以小型化和用微机械技术批量生产，所以微机械的陀螺计用振动型结构，如双框架结构'悬臂梁结构%音叉结构M或振动环结构_。估计这一器件的商品化将不会很久。

　　(2)作为光讯号处理和显示的MEMS器件

　　在Transducer’93上，美国TI公司报告了数字微镜器件(DMD)[ul。这是一个有768x576个象素的器件，用于彩色图象投影显示。DMD器件有上下层结构，下层是完整的768x576位CMOS静态存贮器，每位由6只晶体管构成;上层是与存贮器位数相同的微机械技术加工的铝镜阵列。就是说每个存贮器上面配有一个铝镜。通过存贮器的输出控制铝镜的偏转，约为+10*5〜-lO11。当铝镜偏转时，可以将一束投射光反射到屏幕上或屏幕外。利用整个存贮器中的信号以及全部铝镜阵列的反射作用，就可以构成完整的图象显示系统。为了显示活动图象，必须连续不断地往存贮器中输入图象信息。全面刷新存贮器内容，一次只需要几个MS，而微铝镜的偏转速度也很快，约为10/XS。因此，DMD达到的帧速率比一般视频速率高出几个数量级。利用768x576象素的DMD，已实现了对角线为5英尺的投影显示，屏幕亮度25英尺朗普，是LCD投影亮度的3倍。进一步的产品，是为美国国防部研制的用于高分辨率电视显示的DMD，包含象素2048X1152。

　　DMD刷新了MEMS器件的集成度记录，其中的微机械器件的数目竟然与CMOS存贮器位数相当，可以想象技术难度是很高的。DMD也是利用了MEMS的特点而避免其短处的典型器件。这一器件能否为大家广为采用，决定于规模生产的成品率和性能价格比。其他用作光处理和显示的MEMS器件有红外斩波器1121,微型光闸I13以及控制光传递方向的转换器件。

　　(3)用作微位置控制的MEMS器件

　　这类器件用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜上，几年前就已商品化，器件由悬臂梁与微尖探针以及信号检测和放大电路构成，技术难度并不髙。MEMS器件最近的一个重要应用是用于检测计算机硬盘上的磁道，也就是用于读取硬盘上的信息。计算机硬盘的重要性不言而喻，而且量大面广，发展趋势是进一步提髙存贮密度。目前最大的磁道密度约为5000道/inch(TPI)，到本世纪末可能达到25000TPI，相当于道间距lMin，要求读出精度0.1/xm。一般认为现有的技术很难检测。最简单的解决办法已经实验成功，是在原有移动机构上附加一个微执行器作为二级位置控制与检测。这是一个做在Si片上的微执行器1151，尺寸为mm量级，包括一个可动的平台，由四个平面微弹簧支撑，用电磁执行器驱动。上述平台，微弹簧以及基座都用Si材料经体微机技术加工做成，其中电磁执行器用电镀铜线圈，永磁材料作铁芯。系统中还有相应的集成电路。据说，这种MEMS器件即将商品化。另一种办法的原理相同，只是微执行器改用静电马达。此外，硬盘也在小型化，设想中整个磁道的读出装置都用MEMS器件。这类MEMS器件不需要密封式的封装，硬盘中的环境也适合于位置器件的工作状态，其特点也不是利用其输出力矩，而是利用其输出位移。

　　(4)用于磁信号输出的MEMS器件

　　磁信号也是一种非接触式的输出。具有磁信号的微机械连同电子学器件可以用半密封式的封装而仍能与外界接口。典型的器件可以举出磁打印头。已研制成功的器件是6x80个磁头的阵列，做在Si片上，磁铁用Fe-Ni材料，平面线圈用10圈金线圈，密度可做到1〇〇〇磁铁头/cm2,磁铁尖产生1.4Tesla磁感应强度。据称，这种MEMS器件已成功地在磁性印刷机中试验过。

　　(5)用于化学或生物化学分析系统的MEMS器件

　　早在1979年，Stanford大学己经用微机械技术加工做出微气相色谱仪_。二十几年来，为了开拓其应用，改进了其中微阀1191，微机械流量计1气目前，这些MEMS器件都已有商品。近年来，已有报导将这类MEMS用于DNA反应室1211。空间生物反应实验等。