mems將成為21世紀(jì)新技術(shù)增長點

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1、MEMS將成為21世紀(jì)新技術(shù)增長點MEMS——TheNewGrowingTechnologyinthe21stCentury■北京大學(xué)微電子學(xué)研究所　張興微電子技術(shù)的巨大成功在許多領(lǐng)域引發(fā)了一場微型化革命，以加工微米/納米結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的微米/納米技術(shù)(Micro/NanoTechnology)在此背景下應(yīng)運(yùn)而生。一方面人們利用物理化學(xué)方法將原子和分子組裝起來，形成具有一定功能的微米/納米結(jié)構(gòu)；另一方面人們利用精細(xì)加工手段加工出微米/納米級結(jié)構(gòu)。前者導(dǎo)致了納米生物學(xué)、納米化學(xué)等邊緣學(xué)科的產(chǎn)生，后者則在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開始了一場新的革命，導(dǎo)致了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的誕生。MEMS將電子

2、系統(tǒng)和外部世界有機(jī)地聯(lián)系起來，它不僅可以感受運(yùn)動、光、聲、熱、磁等自然界信號，并將這些信號轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，進(jìn)而發(fā)出指令，控制執(zhí)行部件完成所需要的操作。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分，圖1給出了典型的MEMS系統(tǒng)與外部世界相互作用的示意圖。作為輸入信號的自然界各種信息首先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過信號處理以后(模擬/數(shù)字)再通過微執(zhí)行器對外部世界發(fā)生作用。傳感器可以把能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形

3、式，從而將現(xiàn)實世界的信號(如熱、運(yùn)動等信號)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的信號(如電信號)。執(zhí)行器根據(jù)信號處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號處理器則可以對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大和計算等處理。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術(shù)開辟了一個全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。例如尖端直徑很小的微型鑷子可以夾起一個紅細(xì)胞，3mm大小的能夠開動小汽車，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等。MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高，并且正處在加速發(fā)展時期。MEMS技術(shù)的應(yīng)用MEMS技術(shù)

4、是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。而它與不同的技術(shù)結(jié)合，往往便會產(chǎn)生一種新型的MEMS器件。正因為如此，MEMS器件的種類極為繁雜，幾乎沒有人可以列出所有的MEMS器件。根據(jù)目前的研究情況，除了進(jìn)行信號處理的集成電路部件以外，微機(jī)電系統(tǒng)內(nèi)部包含的單元主要有以下幾大類：(1)微傳感器：傳感器種類很多，主要包括機(jī)械類、磁學(xué)類、熱學(xué)類、化學(xué)類、生物學(xué)類等等，每一類中又包含有很多種。例如機(jī)械類中又包括力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器等，化學(xué)類中又包括氣體成分、

5、濕度、PH值和離子濃度傳感器等。(2)微執(zhí)行器：主要包括微馬達(dá)、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚(yáng)聲器、微諧振器等。(3)微型構(gòu)件：三維微型構(gòu)件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。(4)微機(jī)械光學(xué)器件：即利用MEMS技術(shù)制作的光學(xué)元件及器件，由于利用MEMS技術(shù)可以很方便地制作驅(qū)動裝置，因此制作可動的光學(xué)器件是自然而然的事。目前制備出的微光學(xué)器件主要有微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。(5)真空微電子器件：它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，它是一種基

6、于真空電子輸運(yùn)器件的新技術(shù)，它采用已有的微細(xì)加工工藝在芯片上制造集成化的微型真空電子管或真空集成電路。它主要由場致發(fā)射陣列陰極、陽極、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成。由于電子輸運(yùn)是在真空中進(jìn)行的，因此具有極快的開關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前研究較多的真空微電子器件主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。(6)電力電子器件：主要包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件。MEMS加工工藝目前，常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種。第一種是以日本為代表

7、的利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，即利用大機(jī)器制造小機(jī)器，再利用小機(jī)器制造微機(jī)器的方法；第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件；第三種是以德國為代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie－光刻、Galvanoformung－電鑄和Abformung－鑄塑三個詞的縮寫)技術(shù)，它是利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和鑄塑形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。其中第二種方法與傳統(tǒng)IC工藝兼容，可以實現(xiàn)微機(jī)