1.1 MEMS概况1.1.1 MEMS的定义MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。

MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。

MEMS技术正发展成为一个巨大的产业，就象近20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，MEMS也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。

目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。

大多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为18%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

微机电系统MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小。

采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨。

采用与集成电路（IC）类似的生成技术，可大量利用IC生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

1.1.2 MEMS的相关技术主要有以下几种：1．微系统设计技术主要是微结构设计数据库、有限元和边界分析、CAD/CAM仿真和模拟技术、微系统建模等，还有微小型化的尺寸效应和微小型理论基础研究等课题，如：力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等。

2．微细加工技术主要指高深度比多层微结构的硅表面加工和体加工技术，利用X 射线光刻、电铸的LIGA 和利用紫外线的准LIGA 加工技术；微结构特种精密加工技术包括微火花加工、能束加工、立体光刻成形加工；特殊材料特别是功能材料微结构的加工技术；多种加工方法的结合；微系统的集成技术；微细加工新工艺探索等。

3．微型机械组装和封装技术主要指粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术，具有三维可动部件的封装技术、真空封装技术等新封装技术。

4．微系统的表征和测试技术主要有结构材料特性测试技术，微小力学、电学等物理量的测量技术，微型器件和微型系统性能的表征和测试技术，微型系统动态特性测试技术，微型器件和微型系统可靠性的测量与评价技术。

目前，常用的制作MEMS 器件的技术主要有三种。

第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法。

第二种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS 器件。

第三种是以德国为代表的LIGA(即光刻、电铸和塑铸)技术，它是利用X 射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸形成深层微结构的方法。

1.2 MEMS发展历史随着人类社会向信息化全面迈进，信息系统的微型化、多功能化和智能化成为人们不断的追求。

随着微电子技术延伸和从二维到三维拓展至机械领域，人们发现除了电子信息功能之外，还需要完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，表现出比传统的通信元件具有更优越的内在性能，因此微电子机械系统（MEMS）技术开始得到普遍重视。

MEMS技术将整个信息系统集成在单个芯片上，继续实现各种物理的、化学的和生物的敏感器(执行信息获取功能)和执行器，形成更广义上的系统集成芯片。

业界普遍认为，世界经过昨天的晶体管时代，跨越现在的硅集成电路时代，开始进入明天的MEMS时代。

1987年，美国UC Berkeley大学发明了基于表面牺牲层技术的微马达，引起国际学术界的轰动，人们看到了电路与执行部件集成制作的可能性，这是MEMS 技术的开端。

1988年，美国的一批著名科学家提出“小机器、大机遇”，并呼吁美国重视这一重大领域的开发。

1993年，美国ADI公司采用MEMS技术成功实现微型加速度计的商品化，大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。

20世纪90年代，发达国家先后投巨资并设立国家重大项目促进其发展。

此后，MEMS技术发展迅速，特别是围绕深槽刻蚀技术发展出多种新型加工工艺。

最近，美国朗讯公司开发的基于MEMS光开关的路由器已经试用，预示着MEMS发展又一高潮的来临。

目前，在微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等领域都实现了MEMS技术。

国际上MEMS的专利数近年也呈指数规律增长，专利数目从20世纪70年代每年不到10个发展到1997年以后每年超过150个，表明MEMS技术进入产业快速起步与全面发展的阶段。

1.3 世界各国MEMS发展状况随着智能终端类产品需求的加大，MEMS（微电子机械系统）产业日益呈现出快速发展的势头。

由于这一领域的市场应用技术要求高、加工工艺复杂，其高端产品基本上被美日欧公司所垄断。

美日欧竞相发展MEMS产业，不断拓展新技术新领域。

美国以大学为中心承担MEMS研发；德国和瑞士以自治团体为主导的半官半民机构进行MEMS研究；法国以国家机构为主导承担MEMS研究。

日本以大型财团与科研机构为主研究MEMS。

一）美国：MEMS的研究在60年代首先从斯坦福大学开始，逐步扩展到佐治亚理工学院和加利福尼亚大学洛杉矶分校等大学。

为了发展大口径化晶圆技术，美国政府拨款25亿美元，使美国科学财团(NSF)年制定了项目招标指南，帮助众多美国大学拥有了100～150mm晶圆生产线。

二）法国：法国有关MEMS的研发基地较为集中，主要由国立研究所法国LETI （Laboratoire dElectronique de Technologie de lInformation，电子和信息技术实验室）承担。

“法国硅谷”正在努力地将MEMS和半导体相关研发机构集中在格勒诺布尔市，包括TRONIC&apos、Microsystems S.A、MEMSCAP, S.A.和PHSMEMS 等效具10家MEMS风险企业。

在市场运作方面，法国与美国市场保持紧密协作，瞄准美国航天与军用市场，并以此为立足点向民用产品、汽车和新领域拓展。

三）德国：德国的MEMS研究与应用工作主要集中在非营利性的弗朗霍夫学会（Fraunhofer-Gesellschaft）和德国美因兹微技术研究所（Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH，IMM）等。

弗朗霍夫学会这样研究机构不仅拥有开发平台，还拥有业务形成平台，发展了与MEMS相关的包括德国Pac Tech GmbH等共十几家独立子公司或风险公司。

2003 MEMS的研究预算约为0.6亿美元，政府与公共基金约出资40%。

MEMS在德国国内重点领域是汽车，其次是化学设备、半导体。

四）瑞士：瑞士在联邦政府的扶持下已形成以CESM（Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique）为主导、以MEMS等技术为基础的“瑞士版硅谷”。

CESM 已经和Université de Neuchâtel，洛桑联邦理工大学、苏黎世联邦理工大学，及法国LETI建立了协作体制。

目前已成立13家MEMS研究企业，包括瑞士COLIBRYS SA、瑞士CSEM（Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA）等，主要进行高性能MEMS产品的研发，制造与材料表面评价设备的制造销售。

五）日本：日本方面对MEMS技术最为关注。

日本政府已将微机电系统定位于强化日本产业竞争力的重要技术。

2007年夏季，日本文部省推出了“尖端融合领域革新创造基地的形成计划“，08年度日本经济产业省推动“BEANS项目”和“梦幻芯片开发项目”。

BEANS计划在2008～2012的5年内以约100亿日元的预算，将生物科技和纳米功能融入MEMS技术。

目前，日本各地已有MEMS厂商100多家，以Olympus、Canon 和Fujikura 和器件制造如MEW、Oki等为代表。

日本也拥有不少设计公司，主要来源于R&D 机构和各高校。

1.4 国外MEMS技术主要研究机构研究成果及其发展方向1. 美国DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。

美国是MEMS产业、技术和产品的发源地，其发展水平世界领先。

上世纪60年代，斯坦福等大学就从事MEMS领域的研究开发，佐治亚理工学院和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等众多美国大学几乎都建立有自己的MEMS晶圆生产线。

美国麻省理工学院、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校、凯斯西储大学等还开发用于MEMS研究的设备、仪器等，支撑其技术研究。

各学校一边研究探索，同时也相互不断进行技术与业务的交流，并与产业界组建成联盟，促进MEMS技术及时转化成MEMS产品。

上世纪90年代以后，美国开始在军用产品中推广使用MEMS技术和产品。

美国军事研究机构DARPA(国防高级研究计划局)是进行军用MEMS研究项目的计划组织和推动机构。

如美国军方推出的HI-MEMS 计划中，将MEMS器件作为昆虫仿生的重要领域；美国政府为了支持MEMS发展，适时推出各种促进MEMS发展的应用规定，如美国从2007年开始已要求所有汽车采用轮胎压力监测系统(TPMS)和电子稳定控制器(ESC)等，加大MEMS产品在汽车中的推广措施。