MEMS技术的发展历史发表于:2007-10-2815:48来源:半导体技术天地MEMS第一轮商业化浪潮源于20世纪70年代末80年代初，当时用小型刻蚀晶圆结构和背刻蚀膜片制做压力传感。因为薄晶圆震动膜在压力下变型，会影响其表面的压敏内阻走线，这些变化可以把压力转换成联通号。后来的电路则包括电容感应联通质量加速计，用于触发车辆安全气帘和定位陀螺仪。第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的盛行。TI公司按照静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨复印头如今依然大行其道。第四轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学元件通过全光开关及相关元件而成为光纤通信的补充。虽然该市场现今凋敝，但微光学元件从常年看来将是MEMS一个下降强劲的领域。促进第三轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源器件、在晶圆上制做的音频、生物和神经元探针，以及所谓的"片上实验室"生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和联通元件。工艺的发展最近对MEMS关注的提升部份来自于表面微加工技术，它把牺牲层(结构制做时使其它层分开的材料)在最后一步溶化，生成漂浮式薄联通谐振结构。

法国一所MEMS研究机构、法国格勒诺布尔TIMA实验室的强调："有两种方式制造微系统，即专门为微系统开发的工艺或则使用为微电子开发的工艺。后一种工艺中有些可用于微系统，有些则要为它降低一些特殊的工艺步骤以适用于集成电路中的微系统。"好多MEMS应用要求与传统的电子制造不同，如包含更多步骤、背面工艺、特殊金属和十分独特的材料以及晶片键合等等。确实，许多场合尤其是在生物和医疗领域，都不把晶圆作为基底使用，好多地方选用玻璃和塑胶，出于减少成本缘由常常用塑胶制成一次性医疗器械。但对诸多公司和研究机构来说，微电子中现有的CMOS、SiGe和GaAs等工艺是开发MEMS的出发点。从理论上讲，将电路部份和MEMS集成在同一芯片上可以提升整个电路的性能、效率和可靠性，并增加制造和封装成本。提升集成度的一个主要途径是通过表面微加工方式，在微电子裸片底部的保留区域进行MEMS结构后处理。并且必须考虑湿度对上面已制造完成的微电子部份的破坏，所以对单片集成来讲，在高温下进行MEMS制造是一个关键。针对这一点，法国微电子中心(IMEC)开发了一种多晶锗化硅沉积技术，其临界气温为450℃，而砷化镓为800。

不过气温低沉积速率也要慢，因而又开发了第二种沉积速率更高、温度为520的技巧。选择SiGe是希望切入事实上的高频电子标准工艺，但也有好多其它公司在寻求以主流数字CMOS作为出发点。去年早些时侯，IBM宣布它借助工艺技术的标准生产材料在高于400气温下开发了RFMEMS器件，它开发的MEMS谐振器和混频器可以在无线设备中代替分立无源器件。MEMS与微系统顾问RogerGrace表示："多年来人们仍然在讨论CMOS和MEMS集成的问题，但目前惟一批量生产的集成工艺只有英国模拟元件公司(ADI)的ADXL-50加速器。同样的功能诺基亚要用两个芯片完成，其中一个是MEMS，另一个是封装好的集成微电子元件。"这种争辩常常在微电子业中提起。值得注意的是模拟和混和讯号在微电子中经常放于不同的裸片上作为电路集成到一个封装里，同样，智能功率电子常常采用多芯片解决方案实现，虽然其他人竭力鼓吹智能功率工艺技术的用处。据悉赞同与反对将机械结构和大量电子装置集成在一起的理由也都十分复杂。这主要是由于微电子的标准封装开发很快，引脚数和联接方式的变化在本质上也是标准的。而MEMS则不同，其环境参数各类各样，个别封装不能透光而另一些必须让光照到芯片表面，个别封装必须在芯片上方或旁边保持真空，而另一些则要在芯片周围送入二氧化碳或液体。

人们认识到不可能给各类MEMS应用开发一种标准封装，但也十分须要业界对每种应用确定一种标准封装及其发展方向。RogerGrace强调："MEMS设计师喜欢先把电路做下来，之后再考虑测试和封装。"器件成本95%以上是耗费在测试、封装和最后装配中，对这部份进行优化应当比制做最精致的MEMS结构更重要。同时，行业组织SEMI正开始着手封装和制造工艺的标准化工作。为此国家实验室开发了包括5层硅片的V工艺技术，并把该技术及相关设计工具的使用许可领取给例如和LLC之类的企业(前者是一家风险投资公司)。还把其4层IV工艺技术使用许可领取给了英飞凌()半导体公司。这是承当的基础研究商业化新政的一部份，近来一次MEMS研讨会上工作人员把它称为"幻想家的窘境"或"怎样将最初的演示转变为工业标准"。RogerGrace觉得："的新政是把技术许可领取给业界以得到大批量应用，这样她们才能证明她们自己过去小批量应用时的可靠性。"在制造蜗杆、链条和微机械时工艺似乎能显示出特别好的优势。

但Grace也有些疑惑："V是个很贵的工艺，是否有足够的应拿来支持V?由于工程师一直希望把制造工艺技术与应用对应上去。"根据Grace的说法，迄今只有几种MEMS达到大批量生产，虽然像成功用于桌面投影仪市场的TI联通镜视频投影芯片，每年产值也不到100万只。他说："我们会听到不断出现订制工艺和订制解决方案，我不觉得她们(工程师)会妥协。"这么如今说MEMS是一个繁荣市场是否还为时过早吗？据In-StatMDR中级剖析员预测，世界MEMS市场将从2001年的39亿港元下降到2006年的95亿港元，平均下降率为19.5%。相比之下，世界半导体芯片市场自1996年以来始终徘徊在1,500亿港元，虽然预计到2003晚会有20%的下降。法国工业组织Nexus预测，微系统市场在2001年早已是300亿港元，到2005年将上升到680亿港元。这与In-Stat数字之间的差别主要是由于Nexus使用的"微系统"定义更广泛，它还包括整机系统，如肾脏除颤器，并延展到聚合物、玻璃、金属和以陶瓷为材料的元件。解释说："我是依照规格来定义MEMS，指通常制做在晶圆上并带有机械功能的元件，尽管它不是专用的。

更多要做的事情是在工艺技术上，它可能起源于表面微细机械加工或LIGA。我计算的是向OEM付运的器件数，而没有计算芯片级或最终用户产品的价值。"商业模式表示："MEMS产业呈波浪式发展，我们看见已涌现出压力传感、加速计和镜光学元件，下一波将是RF、微型熔断器和开关。它们需求量很大，而且价钱压力也很大。"她觉得晶圆扩音机也是一个新兴领域。在这类元件中，传统扩音机震动膜由一个薄晶圆膜制成。早已有公司如和英国的A/S正在进行这方面的开发，同时也在研究硅发声装置的可能性。即使规格小会限制输出功率，但这类器件能挺好适用于助听应用领域。比如把255只这些硅麦克风放在一个裸片上除了能提升耳机的音调，并且还可以对这些微型麦克风进行8位数字选址。同样，多个扩音机和扩音机阵列配置也能开发出新的应用领域，这些有方向的扩音机可以顺着一个空间排列，如车辆或家庭内部，这样捕捉到的声音还带有位置信息。表示："我们所看到的是MEMS领域界定得十分清晰。"的确，新兴公司和老牌芯片及整机公司都在运输、医疗、电信和消费类电子等领域竞争，新兴公司只专注于其中一个应用部份。

至于微电子方面，MEMS正成为一种可以服务于多个垂直市场的水平技术。她还强调："传统半导体制造商表现出很大的兴趣，而且这其实只是对其领域所出现问题的'膝跳反应'。虽然工艺技术完全不同。"但真的不同吗？TIMA及其他一些机构强调，倘若能使用标准工艺，就算是改进的最基本IC工艺也有好多优点，因而晶圆MEMS、MOEMS(微光机电系统)和常规IC制造之间的区别只是程度不同。情况确实就是这样，涉足MEMS对小的芯片制造商来讲更具吸引力，由于她们正遭到上游集成元件制造商(IDM)和香港地区代鞋厂的冲击。因为这种小芯片公司难以承当深亚微米工艺技术开发和筹建新鞋厂，她们必须找到市场切入点或完全舍弃制造。值得注意的是英飞凌半导体和法国微系统公司已把MEMS加入到其能生产的元件范围，坐落加利福尼亚的Xicor6英寸晶片厂被MEMS公司竞购而转向生产MEMS，而卓联半导体把在日本普里茅斯的晶片厂借给了日本X-Fab公司，前者自诩是一家混和讯号和MEMS元件代鞋厂。并且还应见到迄今为止所转卖的绝大多数MEMS都是由主要的半导体公司如诺基亚、模拟元件和TI所生产的，意法半导体也正在扩大在该领域的研究。

对于能负担深亚微米CMOS工艺技术研究的小型芯片制造商来说，MEMS的吸引力在于能使旧的工艺技术和经多年制造已折旧完了的晶片厂形成更多收益。换言之，微电子领域快淘汰的工艺在晶圆MEMS制造中可以成为领先技术。对此表示赞成，她说："是的，好多常规IC鞋厂说她们能否做。但这也并不容易，须要特别专业同时又很短缺的技术，这种技术主要都在学院和新兴公司里。"她补充道，贴牌贸易模式的发展帮助了无晶片厂元元件开发商，促使了专用MEMS代鞋厂的发展，如MEMS、和等公司。据悉"50%的新兴公司拥有自己的鞋厂设备，但还须要有了解工艺技术的人才。"由此也突出了对培训的需求。意法半导体公司MEMS事业部总监Vigna介绍说："意法对MEMS的研究是战略性的,主要诱因是我们要通过开发硅的不同特点来应对新的市场。由于MEMS可以用1微米工艺制造，这就是说我们能借助现有的生产设施。"该公司仍然是惠普公司热式喷墨复印头的供应商，再者它开发了系列惯性传感，包括角度和线性加速计，并为安捷伦开发了热式光开关。意法半导体在表明晶圆MEMS市场开发方向的同时，还与一家有雄厚财力支持的加洲新兴公司Onix进行合作。

2001年7月两家公司同意共同开发制造带有MEMS和ASIC的芯片组，用于Onix公司的光开关引擎，意法的批量产能将满足Onix对芯片组的需求。Vigna表示："射频MEMS的优先级没这么高，所以我们没有进行商业开发，尽管我们感兴趣的重要领域之一是用机械开关代替多晶硅固态开关。"根据Vigna的说法，业界演示的产品还存在可靠性问题。"假如是在手机中应用，你须要很低的启动电流，希望是5V以下，尽管手机制造商可能容许12～15V，假如她们再须要40V用于有机发光显示器，我们可能就不用这么低的电流。"有一些新兴公司如宣称已为市场打算好了RF开关，但这种元件是分立的还是与SoC集成在一起尚有待观察。等待标准Vigna说："我还是没有见到像CMOS那样的通用MEMS工艺出现，所以现今还存在各类工艺，但将来会迈向统一，包括在EDA、设计、测试等各方面。标准一旦出现能够使得出现一些简化工艺，我们假如能固定到2～3个工艺平台上，将可以减短MEMS步入市场的时间，由于通过经验积累它们将显得更可靠。我相信最成功的方式是在封装级集成CMOS和MEMS模块，你可以销售带激凸的MEMS裸片便于进行倒装焊集成。

"他介绍说："我们正在推动两三个主流工艺，最主要的是(微加速计厚外延层)，这是一个0.8微米工艺，带有厚砷化镓层结构和薄砷化镓互连。"该技术容许通过几个"锚点"(point)将晶圆结构钎焊在基底上，但可以在与基底本身平行的平面上自由联通。为了与传统塑封技术兼容，在传感器器件下部放置一个封帽以防止成形时对联通部件导致污染。微驱动部件也使用类似的工艺半导体技术天地，但没有封帽，而是降低一个灵活的钝化层。Onix在微镜部件上则使用第三种工艺，这是由于的砷化镓没有制造镜面抛光的单晶好。这么MEMS的设计手动化工具将怎样发展？Vigna的回答是"很慢"。他觉得："当设计成为一门科学时EDA工具很有用，而且如今MEMS更像模拟电路，首先你须要标准工艺，之后才会得到标准的设计工具。"虽然如今的工艺技术有好多种，但在这方面还是涌现了一些第三方EDA工具供应商，如Ansys和等公司。正如半导体设备制造商一样，主要的EDA供应商如等正开始把MEMS当成一门迥然不同的工程学科来对待。本身是已一家MEMS设计手动化工具供应商，它还把自己转变成为一家新一代专用MEMS制造商。

该公司主要从事RF和光学应用，开发了一些支持那些应用的工艺。更引人注目的是它在美国格勒诺布尔本部附近建设了一个专门的MEMS晶片厂，并通过许可合同捐助香港地区的华新丽华公司建设晶片厂。总裁兼首席执行官Jean-Karam表示："我们和华新丽华的关系十分紧密。我们帮助她们建设晶片厂，由我们做光学部份，她们做无线部份，这样我们可以得到双方的技术很快进入市场，我们两家就会有第二供应商。"Karam觉得建设晶片厂是启动MEMS市场所需投资的一部份。他说："好多公司都说她们有RFMEMS开关，但在摩托罗拉开始应用RFMEMS之前，他要了解的是你是否有每年供应一亿只的能力，你须要为大批量做好打算。"Karam觉得业界会得到标准化。他解释说："挣钱的最佳方式是尽量降低工艺数目，改动是在设计中而不是在工艺中，从技术上讲这样并不容易。"他强调，其结果是在每位工业领域都有一些工艺弄成"标准的"用于不同的大批量应用半导体技术天地，一旦工艺标准化以后，经济压力将驱动MEMS设计师不加更改地应用这种工艺。灵活与稳定人们或许会期望意法半导体的Vigna预测主要的半导体公司之后将在MEMS上获取利润，虽然意法有批量生产的经验，在全世界都有晶片厂可以插入MEMS工艺，同时与多家主要顾客有密切的联系。

他表示："大公司喜欢与大公司打交道，倘若出了问题，这家大公司会起诉另一家公司，所以通常不会出问题。其实新兴公司愈发敏捷，愈发灵活并完全专注在MEMS上。"他也给MEMS企业提出了另一种方式，正式大公司的批量生产能力与新兴公司的灵活与专注结合上去。他相信："第一个将MEMS部门分离下来的大公司一定会成功。"不过他证实意法半导体有让MEMS部门独立的计划。1999年从模拟元件公司分下来的就是一个挺好的事例，虽然模拟元件公司还保留了自己的MEMS业务。事实上，还显示出另一发展趋势，即中国内地和香港地区的崛起。台湾与大陆由上海学院研究生结业的赵阳创立，他于1993～1999年间任职于模拟元件公司微加工产品部。赵阳对热加速计非常感兴趣，于是劝说模拟元件公司让他带走该技术进行开发，作为回报模拟元件公司可在新公司里持有一定股份。他对于在MEMS上应用CMOS工艺技术坚信不疑，现已作出高集成度加速计并嵌入到一个芯片的复杂逻辑里。他介绍说："我们把精力全部集中在CMOSMEMS上，成功的惟一途径是依赖现有技术，开始发明之前应尽可能多地进行仿造。"借助联发科作为代鞋厂生产0.6微米逻辑电路，之后将6英寸晶片拿回去放在上海的分公司制做MEMS结构。

这样做的确限制了，难以采用高温后道CMOS加工以防止破坏晶片上的电路，但这正是开发的技术。赵阳表示："这就是说我们可以把设计领到任何一个代鞋厂，虽然必须更改设计能够符合工艺我们也乐意去做。联发科没有MEMS工艺，所以这部份我们自己做。"但海力士是的投资方之一，它会常年都没有MEMS部门吗？在北京有几家8英寸晶片代鞋厂正在建设，投资上百亿港元，因而中国将成为芯片生产的中心之一。大陆地区的代鞋厂似乎会开发愈发专业化的工艺，包括支持MEMS的工艺，便于在她们的旧鞋厂里运行。联发科技术经理胡正明在近来一次接受EETimes专访时说道："我们有兴趣牵涉更多MEMS业务，前提是所须要的技术与我们基本半导体制造技术合拍。......我把CMOS技术看成是一种里面能放光元件、MEMS甚至碳纳米管的平台。"RogerGrace觉得："中国内地和香港地区都在加紧发展MEMS，她们想在MEMS上作出微电子那样的成就来，我们须要密切凝视这一现象。"未来充溢不确定性诱因工程师们将继续研究数百个MEMS概念的工艺技术和封装方案，标准化将使人们抛弃一些在晶圆制造中喜欢使用的技术。

在英国，反应敏捷颇具创意的新兴公司将把MEMS应用推向前进；在法国，几个分离下来的公司也不甘人后；而中国内地和香港地区则将在MEMS上重复她们在微电子制造领域所取得的成功。并且不要指望MEMS会像微电子在20世纪60和70年代那样忽然兴盛上去，MEMS领域一直变化多端且困难重重。MEMS是微电子加微机械，在所有工业领域具有上百种应用。从这点来看可以期望MEMS市场的常年发展会比"纯粹的"微电子要好，随着贴牌服务的发展，工程师将越来越多地使她们的设计适应工艺技术。其实MEMS如今能起飞最重要的缘由是微机械剖析的复杂性随着百兆赫兹处理器的出现在工程师桌面才能解决，留下的一个问题将是MEMS技术有无足够的时间在其享受胜利果实之前把"纳米技术"远远抛在前面。MEMS元件研究§MEMS惯性元件加速度计：??1）研究基于压阻原理的压阻式加速度计及制造技术、开展相应的集成化技术研究。??2）单轴与多轴电容式设计及制造技术研究，并研究高精度电容式加速度计处理电路。??3）隧洞式加速度计研究，研究高精度微型加速度计可用于水灾检测等弱震动检查。陀螺：??微机械陀螺研究主要包括借助实验室现有的硅/玻璃键合和深蚀刻释放工艺进列宽性能电容式体硅微机械陀螺的结构设计和优化，并在此基础上，开发新的体硅陀螺加工工艺，举办硅帽结构在陀螺圆片级封装工艺中的应用研究。

§RFMEMS元件??MEMS技术与射频技术的结合形成了RFMEMS这一新概念。可以觉得，RFMEMS是指在射频系统中用MEMS技术实现的，用于低频、中频、普通无线电波直至微波、毫米波频段讯号的形成与处理的元元件或电路。目前我们举办的研究对象包括可调电容、机电式谐振器/混频器、开关/熔断器、移相器等。已制做出采用表面工艺的梳齿式谐振器，基于硅/金/介质复合膜的电容式开关和可变电容等样品。研究结果表明，这种元元件常常表现出比传统器件更优越的内在射频性能，并且有与有源电路实现单片集成的潜力，其应用前景非常宽广。未来的研究，不仅使现有元件成熟和实用化外，将集中在将已有的电感、电容等无源元件集成在同一衬底上，或将无源元件和有源电路进行集成。§生物物理传感二氧化碳传感：??针对目前二氧化碳传感面临的主要障碍--选择性差的问题，提出通过测量被测二氧化碳分子的荷质比来分辨被测二氧化碳因而提升选择性的思想，设计并制做了一种新颖的可进行二氧化碳分子荷质比测量的微型二氧化碳传感。进行了传感的结构和工艺设计，完成了元件的工艺流水和性能测试，测试的结果证明了此结构的传感才能完成对二氧化碳的热学量和质量变化进行同时测量。

假如进一步优化设计和制造即可大为提升传感的选择性。生物传感：（基于技术的三维微阵列生物芯片的设计和制备）??三维生物芯片的加工基于MEMS技术，硅、玻璃是制造生物芯片的首选材料。目前，以聚合物为材料制备微阵列阱式生物芯片的微模型技术正逐渐盛行，聚羟基硅烷（PDMS）是最具前途的微模型材料，这些材料具有微米量级的复制保真性、易于制造和键和，可大规模生产、低成本等优点。本课题组选用德国Dow公司的184硅橡胶，制备包含上千个反应池的生物芯片，每位反应池的容积约25nL。基本的制备过程包括：(1)负磨具的制备；（2）PDMS混和物的成模；（3）PDMS芯片的键合。通过聚合酶链式反应扩增DNA技术，该芯片将用于癌症的初期确诊。§光学元件与NEMS研究??目前主要集中在光学MEMS元件、NEMS元件及基于SOI的MEMS/NEMS工艺技术等三个方向。光学MEMS元件方向上，已举办工作的三个领域包括：光通讯MEMS元件，主要研究全光传输网中应用的光开关、光可变衰减器、可调激光器及有关集成芯片系统等；光传感器MEMS元件，主要研究基于光学原理的各类新颖传感及其加工制造技术；光测试MEMS元件，主要研究基于MEMS技术的适用于激光精密测试检测领域的各类微型光学元元件及其集成系统。

NEMS元件方向主要研究基于Si、SOI、SiC等半导体材料的NEMS传感器、检测、存储与显示元件的设计和加工制造技术，以及NEMS基础结构如纳米尺度悬臂梁、针尖等的测试表征技术。基于SOI的MEMS/NEMS工艺技术方向主要研究基于SOI衬底加工制造MEMS/NEMS元件的体硅表面硅混和工艺集成技术。mems技术与生物医学mems技术早已在生物医学领域里得到应用，个别公司早已有商品化的产品。从远古时代巫师们的巫术到现代生物领域的量子技术，人类无时无刻不在想方设法寻求延长生命，提升生活的质量。虽然大部份长寿科学研究属于生命科学的范畴，但其它作出的贡献技术领域也取得了可喜的发展，如微机电系统(MEMS)，即使是最富想像力的大夫、科学家或技术人员，几年前做梦也不曾想到会有这样一种技术。MEMS是一种制造方式，基本上是采用微电子材料与工艺制做出将传感、驱动器与微电子集成于一体的机械部件。虽然仍处于中级研究阶段，生物医学MEMS技术也还是得到了巨大发展。诸如肥胖症和世界人口老龄化上升造成心血管疾患和糖尿病降低，而借助MEMS技术可制做出新型内科移植元件，才能从人体内部监控一个人的健康状况。

公司采用MEMS技术制成心血管微传感可检测动脉的压力，该传感如同车辆里的设备(一种在高速道路入口无需停车即可完成付费的手动感应装置)一样工作，本身不带电源，读取信息时在外边用一个感应棒启动传感即可得到此人动脉的所有相关数据。借助MEMS能够制做出智能型内科器械，降低放疗风险和时间，减短患者复健时间，增加诊治的费用。公司正在借助MEMS把现有放疗器械转弄成智能型放疗器械，可用于多种场合，包括小放疗、肿瘤、神经、牙科和胎儿肾脏放疗等。抗生素注入是生物医学MEMS另一个可能有巨幅下降潜力的领域，公司正在开发的一种抗生素注入系统借助了砷化镓或聚合物微芯片，其上带有成千上万个微型贮液囊，上面饱含抗生素、试剂及其它药品。这种微芯片才能向人体注入抗生素，使镇痛剂、荷尔蒙以及甾体之类的注入形式发生革命性的变化。类似这样的生物医学新进展还将催生出新型器械，如便携式掌上型透析机等。将来人们可以在脸上配备检测人体功能的MEMS传感和驱动器，保证个人处于最佳健康状态，帮助保持积极生活形式，并提供手动的防治保健。其实你们都清楚这种成就会使我们治病和生活形式发生翻天覆地的变化，但在生物医学领域运用MEMS技术也可能为社会带来伦理和商业方面一些困惑。

我们要如何安放这种报告我们活动和生活形式以监控身体状况的传感呢？MEMS产品对富人和穷人都一样能用得起吗？随着移植放疗越来越普及和可能，并且占到我们身体很大一部份比重，这对人类又将意味着哪些呢？对于生物医学应拿来讲，MEMS是一种丰富多样、充满生机的技术。MEMS用于生物医学领域所面临的挑战除了是要开发出合适的技术，但是还要成为主要的角色。