微机电系统综述摘要：微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔[1]。
本文介绍了微机电系统起源及研究发展的背景，综述了微机电系统所涉及的器件设计、制作材料、制作工艺、封装与测试等关键技术，介绍了微机电系统在微传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源系统、微型生物芯片等方面的典型应用，大量先进的MEMS器件有望在未来几十年中从实验室推向实用化和产业化。
关键词：MEMS；微机械加工；封装；测试；应用Abstract;Micro-electromechanical system(MEMS)，developed on the basis of microelectronics，is a scientific research frontier of multidiscipline and assimilates the most advanced achievements in current research and development．MEMS extends into various fields with wide application prospects，such as automotive electronics, aeronautics and astronautics，information communication, biomedicine，auto-control and defense industry，and so on．This paper introduces the basic theory research of MEMS development and its background.Summarizes the key technologies of MEMS such as device design，fabricating material, machining processes ,micro-packaging and testing．Further more，the typical applications and latest development in fields including micro-sensor，micro-actuator，micro-robot，micro air vehicle，micro-power energy system，micro biological chip are discussed．A plenty of advanced MEMS devices would be put into practicality and industrialization from laboratory in recent decades．Keywords:micro-electromechanical system; micro -machining; package; testing; usage1 引言微机电系统简称为MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），是利用微米/纳米技术，以微细加工为基础，将微传感器、微执行器和电子电路、微能源等组合在一起的微机电器件、装置或系统。
它既可以根据电路信号的指令控制执行元件实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接受外部信号。
传感器转换后的信号经电路处理，再由执行器变为机械信号，完成执行命令[2]。
基于其微细加工，可用于完成传统大尺寸所不能完成的任务，也可以把独立微器件，如微传感器或执行器直接嵌入到大尺寸系统中，以达到提高系统可靠性、降低成本、实现系统智能化和自动化的要求。
MEMS并非单纯是宏观机械的微小化，它的研究目标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。
微电子学、微机械学、微光学、微动力系、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微机构学和微生物学等构成了MEMS 的理论基础[3]。
MEMS 是一种获取、处理和执行操作的集成系统。
其系统组成图如下： 力其他化学温度声音光传感元件模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理与其他微系统的通信接口（光/电/磁）执行元件其他信息能量运动图1 微机电系统的理想理论模型相对于其他机械系统，MEMS 可以大致归纳出以下一些特点：⑴ 器件微型化、集成化、尺寸可达亚微米数量级在一个几平方毫米乃至更小的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理的集成、功能集成甚至完成整个微型计算机的集成，并可大批量、廉价地生产。
具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高，响应时间短等优点[4]。
⑵ 功能多样化、智能化由于硅具有光电效应、压阻效应、PN 结特性和“Hell”特性等，可用于制备各种光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器。
将不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器集成微传感阵列，结合不同功能的微执行器可形成复杂的微系统[4]。
微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。
⑶能耗低、灵敏度高、工作效率高微机电系统所消耗的能量远远小于传统的机电系统，却能以10倍以上的速度完成同样的工作，并且不存在信号延迟等问题，可以高速工作[4]。
⑷多学科交叉MEMS 涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多学科，采用了广泛的物理、化学和生物原理，并集约当今科学发展的许多尖端成果。
2 MEMS 的起源及发展现状随着硅材料微制造技术的迅速发展，早在20世纪70年代末斯坦福大学就开发出硅微加工的气象色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。
20世纪80年代初，Middelhoek 著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。
美国在1987年举行IEEE Micro-robots and Tele-operators 研讨会，首次提出了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System ，MEMS）一词，标志着微机电系统研究的开始。
1988年，美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为12µm的静电型微电机(基于表面牺牲层技术)，并成功运转，这标志着微机电系统时代的真正到来。
近几十年，国外的MEMS技术发展迅猛，美国在静电微电机、MEMS光开关、数字滤镜（DMD）、微光学陀螺仪（MOG）、微卫星及微加速度计等方面的研究均处于领先地位。
日本在MEMS的研究起步晚于美国，但政府、学术界和产业界高度重视，在微细加工、微流量泵、微型传感器、微继电器等方面取得了相当快的进展，尤其是在微机器人方面处于世界领先地位。
德国Karlsruhe研究中心在微细加工方面首创了LIGA技术，既X光深层光刻、微电铸和微塑铸三种工艺的有机结合，可实现高深宽比的微机构。
并结合准分子激光烧蚀技术研制出准分子激光工艺技术，其在微细加工方面处于领先地位。
我国MEMS的研究始于二十世纪八十年代末。
经过十多年的发展，我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样机等方面已有一定的基础和技术储备，其中,北京大学已制备出加速度计样品，并已开始为国内研究MEMS单位提供加工服务；上海交通大学可提供各种非硅材料的微加工服务，如LIGA技术制作高深宽比微结构的基本加工技术、紫外深度光刻(UV-LIGA)、高深宽比微电铸和模铸加工、功能材料薄膜制备等；电子部十三所研究的融硅工艺也取得了较大进展，制备出微型加速度计和微型陀螺样品。
此后我国开展了包括微型直升飞机，力平衡加速度传感器、力平衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微马达、微电泳芯片、微流量计、硅电容式微麦克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械的研究和开发工作。
3 MEMS的构件材料[5]（1）结构材料。
结构材料是那些具有一定机械强度，用于构造MEMS器件结构基体的材料。
目前，用来研制生产MEMS的衬底材料主要仍是单晶硅、多晶硅、非晶硅及各种硅化合物材料。
也有硅橡胶、聚对二甲苯、聚酰亚胺等聚合物材料以及铝、钨、铬、金等金属材料。
采用的其他半导体材料还有SOI、SOS，主要用于高性能的传感器和执行器，以及低功耗的便携式系统；GaAs 材料适用于无线和数据通信；SiC 材料适合高温部件；InP 材料适合高速度光纤部件和高频率无线应用。
近年来，聚合物MEMS 因其低成本、柔韧易弯曲等优势备受青睐。
（2）功能材料。
功能材料是压电材料、光电材料等具有特殊功能的材料。
先进的MEMS功能材料可改善MEMS器件和系统的性能，具有能量变换能力，可实现敏感和致动功能。
如形状记忆合金、磁致伸缩材料等。
以碳纳米管复合材料、金属基复合材料、纳米金属氧化物复合材料等为研究热点的纳米功能材料备受关注，并在光敏、气敏、生物敏、电流变体等研究领域获得应用。
4 MEMS的相关制造技术微机电系统的制造深受集成电路制造技术的影响，如硅集成电路制造中的常用的氧化、光刻、掺杂、腐蚀、外延、淀积、钝化等微细加工技术，都是在MEMS技术中常用到的工艺。
但是MEMS 制造又具有一些独特的加工技术，只有这些独特的微加工技术和常规集成电路工艺相结合，才能制造出具有复杂的微米量级的三维微结构、微器件乃至微系统。
目前，国内外制造微机电系统的微细加工技术有3大主流技术，即以美国为代表的硅微机械加工技术、日本以精密加工为特征的微加工技术和德国的LIGA 技术。
此外，电子溅射加工(EDM)，衬底结合和光刻技术在MEMS制造中也有广泛应用。
针对不同的应用背景，有时多种工艺同时应用于MEMS制造中。
4.1 硅微机械加工技术[6]微机械加工是MEMS以及微光机电系统的关键技术。
微机械加工可分为体微机械加工、表面微机械加工和键合技术三种类型。
体微加工技术是指利用蚀刻工艺对块状硅进行准三维机构的微加工，腐蚀衬底内部的部分材料形成独立的机械结构(悬臂梁、沟槽等)。
表面微加工技术是微机械器件完全制作在基片表面而不穿透基片表面的一种加工技术，其加工依靠牺牲层技术，既通过外延生长热氧化、化学淀积、物理淀积、光刻、溅射和腐蚀等工艺在基体表面构建MEMS结构。
键合技术是将MEMS器件中两种或多种晶格失配的材料集成为一体，制造新型器件和微型元件的一种技术，主要包括直接键合技术、阳极键合技术、共熔键合技术等。
它常与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与集成电路间的电学连接。
4.2 精密微机械加工技术超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级，可批量制作其他加工方法无法制造的复杂三维微结构器件。