关于MEMS的技术简介

MEMS全称Micro Electromechanical System（微机电系统），是一种通常在硅晶圆上以IC工艺制备的微机电系统，微机械结构的制备工艺包括光刻、离子束刻蚀、化学腐蚀、晶片键合等，同时在机械结构上制备了电极，以便通过电子技术进行控制。

生活中有哪些MEMS器件？

第一个可转动的MEMS马达于1988年诞生于加州大学伯克利分校，如图1所示；之后于1989年，美国桑迪亚国家实验室研制了第一个横向梳齿驱动器，微机械结构可以在垂直于表面的方向移动。

图.1 加州大学伯克利分校研制的第一个可转动的MEMS马达

图.2 美国桑迪亚国家实验室研制的第一个横向梳齿驱动器

经过30年的发展，MEMS器件已经渗透于我们的生活之中。转屏是智能手机中的一项基本功能，如图.3所示，这项功能是通过MEMS陀螺仪来实现的。图.4展示了传统机械陀螺仪与MEMS陀螺仪的对比，后者比前者小得多，因而得以在智能手机和平板电脑中广泛应用。如图.5所示，出于安全考虑，气囊是汽车中的必备装备，它们会在发生撞车时自动充气膨胀，保护乘客的安全。安全气囊对撞车事件的迅速检测得益于其中的MEMS器件，图.6展示了MEMS加速度计的芯片结构。用于传感检测的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一个壳体里面。此外，MEMS技术在生活中的其他应用包括MEMS麦克风、MEMS投影仪、MEMS压力传感器，等等。

图.3 MEMS陀螺仪在智能手机中的应用—转屏功能

图.4 传统的机械陀螺仪（左）与MEMS陀螺仪（右)

图.5 汽车中的安全气囊（内有MEMS器件）

图.6 MEMS加速度计的芯片（左）和封装形式（右）

MEMS技术的特有工艺

MEMS器件与IC芯片的制备工艺非常相似，但MEMS器件有两个重要特征：高深宽比的微结构和悬臂结构，因此需要一些特有的工艺来制备。

第一项特有工艺是用于制备高深宽比结构的LIGA技术，LIGA是X射线光刻技术的德语简称，于1982年由德国卡尔斯鲁厄核研究中心开发出来。LIGA技术的工艺步骤如图4.7所示，包括对基片上光刻胶的X射线光刻、光刻胶显影、在光刻胶结构上的金属电铸、从光刻胶结构中剥模、以结构材料充模（图4.7中的结构材料是聚合物）和脱模，从而制备出最终的微机械结构[7]。

图.7 LIGA技术的工艺步骤

第二项特有工艺是制备悬臂结构表面微加工技术，该技术于1980年代由加州大学伯克利分校的研究人员开发出来。表面微加工技术的工艺步骤如图.8所示，第一步是对带有牺牲层的基片涂覆光刻胶并进行光刻，然后依次对光刻胶和牺牲层进行显影操作。第三步是沉积结构层的材料，然后在第四步，通过光刻将微结构的图形投影于结构层之上的光刻胶。第五步通过刻蚀工艺制备出结构层，然后通过化学腐蚀工艺释放结构层之下的牺牲层，得到最终的悬臂式微结构。

图.8 表面微加工技术的工艺步骤

MEMS器件的驱动机制

MEMS是一种微电机系统，在制备微机械结构之后，需要以电子技术进行驱动。典型的驱动机制如图.9所示，包括静电引力、电磁力、电致伸缩和热电偶。

图.9 MEMS器件的驱动机制

在图9（a）中，悬臂梁底部和基底上部均制备了电极，当两个电极加载偏压时，产生静电吸引，悬臂梁变形，从而实现电信号对机械动作的控制。在图9（b）中，悬臂梁底部和基底上部均制备了电磁线圈，当线圈中通电流时，产生电磁力使悬臂梁发生形变。电磁力可以是引力或者斥力，取决于所通电流的方向。在9（c）中，悬臂梁以磁致伸缩材料制备，当悬臂梁的两端加载电压时会产生伸缩效应。在9（d）中，悬臂梁为双层结构，两层以不同热膨胀系数的金属材料制备。当悬臂梁通电流时，因热电偶效应，将会弯向热膨胀系数较小的材料一侧。

在MEMS器件的所有驱动机制中，静电引力结构因制备简单、易于控制和低功耗，得到最广泛的应用。