为了阐明什么是微机电体系MEMS （Micro Electro Mechanical Systems），首要来解释一下什么是机电体系。20多年曾经，轿车仍是一个单纯的机械体系，后来跟着电子技能的开展，轿车的许多零部件（例如电子点火器、燃油电子喷发设备、电控主动变速箱等）都依托电子体系进行操控，因而现在的轿车实际上便是一个大的机械电子体系。而微机电体系则是指细小的机械电子体系，例如比一粒花生米还要小的飞机或轿车，是由许多只要几百微米巨细的零件组成的，而这些零件是用微电子等微细加工技能制备出来的，既包含机械部件又包含电子部件，因而咱们称这类细小的机械电子体系为微机电体系。
微机械电子体系是微电子技能的拓宽和延伸，它是将微电子技能和精密机械加工技能彼此交融，并将微电子与机械融为一体的体系。MEMS将电子体系和外部国际有机地联系起来，它不只能感触运动、光、声、热、磁等天然界的外部信号，使之转化成电子体系能够辨认的电信号，并且还能经过电子体系操控这些信号，从而宣布指令，操控履行部件完结所需的操作。
MEMS首要包含微型传感器、履行器和相应的处理电路三部分。作为输入信号的天然界各种信息首要经过传感器转化成电信号，经过信号处理往后（模仿/数字）再经过微履行器对外部国际发生效果。传感器能够把能量从一种方式转化为另一种方式，从而将实际国际的信号（如热、运动等信号）转化为体系能够处理的信号（如电信号）。履行器依据信号处理电路宣布的指令完结人们所需求的操作。信号处理器则能够对信号进行转化、放大和核算等处理。美国AnalogDevice公司现已研制出许多种将集成电路与MEMS集成在一起的集成微加快度计、微陀螺等产品。
MEMS技能是一种典型的多学科穿插的前沿性研讨范畴，它简直触及到天然及工程科学的一切范畴，如电子技能、机械技能、光学、物理学、化学、生物医学、资料科学、能源科学等。MEMS技能的方针是经过体系的微型化、集成化来探究具有新原理、新功能的元件和体系。
MEMS的开展拓荒了一个全新的技能范畴和工业。它们不只能够下降机电体系的本钱，并且还能够完结许多大尺度机电体系所不能完结的使命。正是因为MEMS器材和体系具有体积小、重量轻、功耗低、本钱低、可靠性高、功能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的长处，MEMS在航空、航天、轿车、生物医学、环境监控、军事以及简直人们接触到的一切范畴中都有着十分宽广的运用远景。例如微加快度计能够用于轿车的安全气囊，当轿车发生磕碰等交通事端时，轿车的加快度会很大，这时经过微加快度计能够判别是否发生撞车事端。若发生交通事端，微加快度计即能够宣布指令，使安全气囊及时弹出，维护司机和乘客的安全。又如，微惯性传感器及其组成的微型惯性丈量组合体系能运用于制导体系、卫星操控体系、轿车主动驾驶仪、轿车防抱死体系（ABS）、安稳操控体系和玩具；微流量体系和微分析仪可用于微推动、伤员救助。MEMS体系还能够用于医疗、高密度存储和显现、光谱分析、信息收集等等。现在现已成功地制作出了顶级直径为5μm的能够夹起一个红细胞的微型镊子，3mm巨细的能够开动的小轿车，能够在磁场中飞翔的像蝴蝶巨细的飞机等。
MEMS技能及其产品正处在加快开展时期，增长速度十分之高。估计到2000年，全国际MEMS的商场将到达120～140亿美元，而与之相关的商场将到达1000亿美元。
一、MEMS器材的首要品种
现在，MEMS技能简直能够运用于一切的职业范畴，而它与不同的技能结合，往往便会发生一种新式的MEMS器材。正因为如此，MEMS器材的品种极为冗杂。依据现在的研讨状况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电体系内部包含的单元首要有以下几大类：
（1）微传感器。微传感器品种许多，首要包含机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包含有许多种。例如机械类中又包含力学、力矩、加快度、速度、角速度（陀螺）、方位、流量传感器等，化学类中又包含气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器等。
（2）微履行器。微履行器首要包含微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微机械开关、微喷发器、微扬声器、微可动渠道等。
（3）微型构件。三维微型构件首要包含微膜、微梁、微探针、微齿轮、微绷簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。
（4）微机械光学器材。这是一种运用MEMS技能制作的光学元件及器材。现在制备出的微光学器材首要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。
（5）真空微电子器材。它是微电子技能、MEMS技能和真空电子学开展的产品，是一种选用已有的微细加工工艺在芯片上制作的集成化微型真空电子管或真空集成电路。它首要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。因为电子输运是在真空中进行的，因而真空微电子器材具有极快的开关速度、十分好的抗辐照才干和极佳的温度特性。现在研讨较多的真空微电子器材首要包含场发射显现器、场发射照明器材、真空微电子毫米波器材、真空微电子传感器等。
（6）电力电子器材。它首要包含运用MEMS技能制作的笔直导电型MOS（VMOS）器材、V型槽笔直导电型MOS（VVMOS）器材等各类高压大电流器材。
现在，现已有许多许多种用处各异的MEMS器材相继问世。现在，微型马达的实例较多，其间德国选用LIGA技能制备的微型马达比较成功，已用于微型直升机样品。
二、MEMS的首要加工工艺
现在，常用的制作MEMS器材的技能首要有三种。第一种是以日本为代表的运用传统机械加工手法，即运用大机器制作小机器，再运用小机器制作微机器的办法。第二种是以美国为代表的运用化学腐蚀或集成电路工艺技能对硅资料进行加工，构成硅基MEMS器材。第三种是以德国为代表的LIGA（即光刻、电铸和塑铸）技能，它是运用X射线光刻技能，经过电铸成型和塑铸构成深层微结构的办法。上述第二种办法与传统IC工艺兼容，能够完成微机械和微电子的体系集成，并且适合于批量生产，现已成为现在MEMS的干流技能。LIGA技能可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等资料，并可用来制做深宽比大的精密结构（加工深度能够到达几百微米），因而也是一种比较重要的MEMS加工技能。LIGA技能自八十年代中期由德国开宣布来往后得到了迅速开展，人们已运用该技能开发和制作出了微齿轮、微马达、微加快度计、微射流计等。第一种加工办法能够用于加工一些在特别场合运用的微机械设备，如微型机器人、微型手术台等。下面首要介绍LIGA和硅MEMS技能。
1. LIGA技能
LIGA技能是将深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技能相结合的一种归纳性加工技能，它是进行非硅资料三维立体微细加工的首选工艺。
LIGA技能制作各种微图形的进程首要由两步要害工艺组成，即首要运用同步辐射X射线光刻技能光刻出所要求的图形，然后运用电铸办法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再运用微塑铸制备微结构。LIGA技能为MEMS技能供给了一种新的加工手法。运用LIGA技能能够制作出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电体系，而用它制作的器材结构具有深宽比大、结构精密、侧壁峻峭、外表润滑等特色，这些都是其它微加工工艺很难到达的。
2.硅基MEMS技能
以硅为根底的微机械加工工艺也分为多种，传统上往往将其概括为两大类，即体硅加工工艺和外表硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则运用与一般集成电路工艺类似的平面加工手法，以硅（单晶或多晶）薄膜作为机械结构。
在以硅为根底的MEMS加工技能中，最要害的加工工艺首要包含深宽比大的各向异性腐蚀技能、键合技能和外表献身层技能等。各向异性腐蚀技能是体硅微机械加工的要害技能。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制作的加工办法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液首要有EPW和KOH等，EPW和KOH对浓硼掺杂硅的腐蚀速率很慢，因而能够运用各向异性腐蚀和浓度挑选腐蚀的特色将硅片加工成所需求的微机械结构。
运用化学腐蚀得到的微机械结构的厚度能够到达整个硅片的厚度，具有较高的机械活络度，但该办法与集成电路工艺不兼容，难以与集成电路进行集成，且存在难以精确操控横向尺度精度及器材尺度较大等缺陷。为了战胜湿法化学腐蚀的缺陷，选用干法等离子体刻蚀技能现已成为微机械加工技能的干流。跟着集成电路工艺的开展，干法刻蚀深宽比大的硅槽已不再是难题。例如选用感应耦合等离子体、高密度等离子体刻蚀设备等都能够得到比较抱负的深宽比大的硅槽。
键合技能是指不运用任何粘合剂，仅仅经过化学键和物理效果将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他资料严密地结合起来的办法。键合技能尽管不是微机械结构加工的直接手法，却在微机械加工中有着重要的位置。它往往与其他手法结合运用，既能够对微结构进行支撑和维护，又能够完成机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学衔接。在MEMS工艺中，最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技能，最近又开展了多种新的键合技能，如硅化物键合、有机物键合等。
外表献身层技能是外表微机械技能的首要工艺，其基本思路为：首要在衬底上淀积献身层资料，并运用光刻、刻蚀构成必定的图形，然后淀积作为机械结构的资料并光刻出所需求的图形，最终再将支撑结构层的献身层资料腐蚀掉，这样就构成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构资料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等，常用的献身层资料首要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。
三、MEMS技能的开展趋势
依据MEMS开展的现状，人们对往后MEMS技能的开展进行了很多的猜测，作为本文的小结，将大多数专家以为的MEMS技能在往后的首要开展趋势归纳如下：
（1）研讨方向多样化。从每次大型MEMS国际会议的论文来看，MEMS技能的研讨日益多样化。MEMS技能触及的范畴首要包含惯性器材（如加快度计与陀螺）、原子力显微镜、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器材、微型光学器材、各种履行器、微型机电器材功能模仿、各种制作工艺、封装键合、医用器材、试验表征器材、压力传感器、麦克风以及声学器材等。内容触及军事、民用等各个运用范畴。
（2）加工工艺多样化。正在运用和研讨的加工工艺有传统的体硅加工工艺、外表献身层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合相结合的加工工艺、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属献身层工艺、MAMOS工艺、体硅工艺与外表献身层工艺相结合等，而详细的加工手法更是多种多样。
（3）体系单片集成化。一般传感器的输出信号（电流或电压）很弱，若将它衔接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会完全掩盖有用的信号，因而选用活络元件外接处理电路的办法已不或许得到质量很高的传感器，只要把两者集成在一个芯片上，才干具有最好的功能。
（4）MEMS器材芯片制作与封装一致考虑。MEMS器材与集成电路芯片的首要不同在于：MEMS器材芯片一般都有活动部件，比较软弱，在封装前不利于运送。所以，MEMS器材芯片制作与封装应一致考虑。封装技能是MEMS的一个重要研讨范畴，简直每次MEMS国际会议都对封装技能进行专题讨论。
（5）一般商用低功能MEMS器材与高功能特别用处（如航空、航天、军事用）MEMS器材并存。例如加快度计，既有很多的只要求精度为0.5g以上、可广泛运用于轿车安全气囊等的具有很高经济价值的加快度计，也有要求精度为10－8g的、可运用于航空航天等高科技范畴的加快度计。关于陀螺，也是有些状况要求其精度为0.1°/小时，有的则只要求10000°/小时。
