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微电子机械系统MEMS

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微电子机械系统(MEMS)

译自: MEMS网站 译者:yanghuanyu 未经许可请勿转载
什么是微电子机械系统(MEMS)?
  微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems),是指运用微制造技术在一块普通的硅片基体上制造出,集机械零件、传感器执行元件及电子元件于一体的系统。机械及机电的装置制成方式为:应用集成电路制造工艺(如:cmos,bipolar,bicoms工艺)制做电子元件,同时应用相应的微细加工技术对硅晶片进行选择性刻蚀或沉积出新的结构层的方法制造出械零件。微电子机械系统(MEMS)应用微细加工技术集成硅基微电子元件,它必定给几乎所有产品带来一场革命,它也使得 “片式系统(systems-on-a-chip)”变得现实可行。通过把微电子元件的计算能力和微传感器的感觉能力及微执行元件的控制能力集于一体,微电子机械系统具备了真正的发展细小产品的能力。微电子机械系统无论是在其被期望运用的领域,还是在设备设计及制造方面,都体现出极大的差异也富有成果。由于微电子机械技术能将灵敏的感觉和控制功能与微电子元件集成为一体,它极大的拓宽了设计及运用空间。

  系统中,集成电路(IC)好比是“大脑”,而微电子机械技术则赋予了它眼睛和手臂,让整个系统能够感觉和调控周围的环境。在最基本的系统构成中,传感器从环境中感觉到机械的、热的、生物的、化学的、光学及电磁的变化;电子元件对传感器获得的信息进行分析后作出判断,并指挥执行元件作出相应的,或移动或变换姿态或排序或跳跃或过滤的反应,以此来调控周围环境,达到预期的结果或目的。由于微电子机械系统采用了集成电路批量制造的技术,所以它可以用相对较低的成本把具有超前功能的可靠的复杂的系统置于一个小小的硅片上。微电子机械系统带给科学和工程新的发现,例如用于DNA放大鉴定的聚合酶链式反应微系统,微机械扫描隧道显微镜(SIMS),检查危险化学品和生物制剂的生物芯片,以及用于high-throughput药物监视和挑选的系统。在工业领域,微电子机械设备在巨大的、以每年50%的惊人速度递增的市场中扮演着不同的产品角色。作为一种突破性的技术,一种能对在目前如电子学与生物学般显得毫不相关的领域进行非平行协同的技术,微电子机械系统将会运用于更多的新的超越目前我们所认知的范畴。
微电子机械系统工艺

集成电路制作工艺 微细加工工艺
氧化 批量微加工
发散 表面微加工
低压化学气相沉积 晶圆邦定
曝光 Deep Silicon RIE
Epitaxy 立体印刷
溅镀 微模成型

  尽管微电子机械设备极其微小(例如利用微电子机械技术已能制造尺寸小于头发丝直径的电动机)微电子机械技术却作用巨大。再者,微电子机械系统的意义不仅仅只是制造以硅为材料的物体——纵然,硅是一种拥有优异性能的材料,是在制作高性能机械时最具诱惑力的选择(硅的单位质量强度比高于很多工程材料,因此可以满足较大范围的机械设备的要求)。换句话说,微电子机械系统是一项制造技术,一种制造复杂的机电系统的新的方法,它具有类似集成电路的大批量制造工艺,并能把机电元件与电子元件整合为一体。
这项新的制造技术有着许多鲜明的优点:首先,微电子机械系统是一项差异性极大的技术,它带给各种商业及军事产品极大的潜在的冲击。微电子机械系统已经运用于从居家使用的血压监控器到汽车悬挂系统的各类产品。微电子机械技术的实质以及其广阔的应用范围,使其比集成电路制作技术更具冲击力。其次,微电子机械技术使复杂的机械系统与集成电路间的界限变得模糊。一直以来,传感器和执行元件是大型电控系统中成本最昂贵,可靠性最差的部分。相对来说,微电子机械技术保障了我们可以大批量制造如此复杂的机电系统,并使传感器和执行元件的成本与可靠性和集成电路保持在同一水平。有趣的是,虽然我们对微电子机械设备和系统的运行要求高于大尺寸零件和系统,但却希望它有一个相对低廉的价格。
  我们可以把微电子机械加速度检测表——其在汽车防撞气囊安全系统中迅速代替了传统的加速度检测表——当作近来体现微电子机械技术优越性的例子。传统方法使用一些由分离元件制成的单个的加速度检测表,把他们和一些独立的电子元件固定在汽车的前部,该系统成本超过50美元。而微电子机械技术却可以把加速度检测表和电子元件集成到一个硅片上,并将其成本控制在5-10美元以内。这些采用微电子机械技术制成的加速度检测表变得更小,更轻,功能更强大,更可靠。与传统大尺寸加速度检测表相比,其售价更便宜。采用微电子机械技术制成的加速度检测表可望在随后的几年里完全取代传统的装置。微电子机械加速度检测表价格的大幅下调,使得汽车制造商们可以考虑在汽车中设置防侧撞气囊安全系统。在以后几年里,随着微电子机械加速度检测表的技术不断改进,系统感应器可以检测到乘客的体形和体重,并计算出系统最佳反应方式,以减少在发生事故时因气囊放置原因而导致的不必要的伤害。

微电子机械技术的机遇
  随着被大量的用于各类实践,微电子机械技术带给包括太空科技及生物技术在内的所有事物巨大的冲击,其注定会成为二十一世纪制造技术的代表。目前正处于实验室研发阶段的微电子机械系统将释放出新技术的潜能,给社会带来巨大的经济增长和无数的商业机会,大量的新产品和数以千计的高薪工作机会。作为一种突破性的技术,一种能对在目前如微电子学与生物学般毫不相关的领域进行非平行协同的技术,微电子机械系统被看作如其父辈集成电路技术一样将会有一个商业及军事的市场增长。
半导体工业最大的贸易组织——半导体设备及材料国际(SEMI),最近所做的市场调查指出,微电子机械设备工业将从今年193亿美元的贸易额水平快速递增至2000年的接近100亿美元的水平(如下图)。其他的一些市场调查报告甚至预测了一个更高的增长率。然而这些关于微电子机械设备销售的市场数据并没有反映事情的全部。90年代末使用微电子机械系统制造的新的或改进后的工业系统和制药系统的年销售额已达1000亿美元。而以上这些调查报告明显的仅针对于微电子机械系统在压力传感器,惯性仪,流体控制,光学开关,分析工具和海量数据存储等范围内的应用。因为微电子机械系统是一个新生的综合性的技术,许多新的应用将会出现,将会超出我们目前所认知的市场范围。


  虽然微电子机械系统很大程度上借重于集成电路(IC)技术,希望微电子机械系统的主要应用者不只限于那些传统的电子公司和计算机公司。在受益于微电子机械系统的公司中大多数公司将会是系统集成商,生产汽车、科学分析仪、消费类产品、医疗设备、空间导航系统及类似的商业产品和军事产品的制造商们。

目前对微电子机械技术的研发投入
  用于微电子机械系统研发的联邦政府基金伴随着全美工业在微电子机械系统领域研发投入的的增加而大幅增加。在八十年代中后期,联邦政府支持微电子机械系统研发的资金主要来源于国家科学基金(NSF),这一资金到1991年已达2—3百万美元。到1995年,联邦政府支持微电子机械系统研发的投入增至三千五佰万美元,其中大约三千万美元来自美国国防部(DOD),其主要出资者为国防部先进研发项目代理(Defense Advanced Research Project Agency)的电子技术办公室(ETO)。
  除政府基金外,美国工业对微电子机械系统的研发和产品开发的投入,目前估计每年已超过一亿美元。这些投入大多针对微电子机械系统的直接应用,用相应的微电子机械设备代替传统工艺(如:数据存储、流量控制、光学开关等)以降低成本,增加功能,提高可靠性
不独只美国认识到微电子机械系统具有潜在的冲击力;日本和欧洲政府已经把他们对微电子机械系统研发的总的投入增加到每年七千万到一亿美元的水平。日本政府在1991年开始,以微型机械立项,主要通过其国际贸易及工业部对微电子机械系统进行投入。日本国际贸易及工业部在微电子机械系统的研发上独树一帜,不像美国和欧洲政府把微电子机械系统的研发基础建立在微电子技术之上,而是将其研发重点集中于缩小传统的机电零件和系统。欧洲对微电子机械系统研发投资的国家主要是德国、瑞士、荷兰和法国,他们通过欧共体进行合作以减少重复投资并提倡协同攻关,他们已在下列技术方面获得了重大发展:deep reactive-ion etching for silicon、bonding aligners和平板印刷技术。欧共体和日本工业每年对微电子机械系统的研发投入估计已超过两亿美元,这些投入还在不断增长。
与集成电路工业在研发上的开支相比,微电子机械系统的研发投入的规模显得很小。当然,微电子机械系统工业基础也很小,还不足以维持较大的研发费用。从其一开始,微电子机械系统就可以借重于集成电路技术的发展。然而,随着自身的进步和集成电路制造舞台的变化,这种借鉴已显得不那么重要了。

目前面临的挑战
  公司无论大小,其接触微电子机械制造系统的机会都应增加。目前,大多数希望开发微电子机械系统潜能的公司在购买原型制造和生产的设备时,可供选择的设备极少。可以肯定的是,微电子机械系统的最大受益者将主要是那些并不拥有微制造技术开发能力或核心技术的公司,接触微电子机械系统的通道是他们成功运用该技术的关键。因此,建立一种机制用以保障这些公司和原型制作与生产的微电子机械系统设备之间的接触通道是基本的,必要的。
  迫切需要用于微电子机械系统设计的先进的模拟工具和模型建立工具。目前,大多数微电子机械设备都是用功能差的不能准确预测执行情况的分析工具来建立的。因此,微电子机械系统的设计通常采用试验排出错误的方法进行,往往需要多次反复的试验最后才能满足一个特定设备的运行条件。对开发商业产品来说,这种瞎撞的设计方法、长的设计周期以及微电子机械系统原型机的高昂费用导致了一种效率极为低下的、不切实际的情况。只有运用合适的开发工具,并配以连通高性能工作站以及本地的和远程的超级计算机的计算机网络才能从根本上改变这种局面。
  微电子机械设备及系统的包装目前处于极原始的状态,极待提高。与集成电路(IC)相比,微电子机械系统的包装面临独特的挑战,因为微电子机械装置形状差异大,并且部分装置还要求放置于特定的环境中。当前,几乎每开发一套微电子机械系统就需为其设计一个专用的包装。因此,许多公司发现在整个微电子机械产品的开发中包装成为一个费时费钱的工作。但与微电子机械产品自身的零件数量相比,包装所需的模具及工具实在是微不足道。另外,容许设计者从已有的标准包装中挑选出新的微电子机械设备的包装也不失为较好的办法
微电子机械设备的设计工作必须从其复杂的制作过程中分离出来。目前,要完成一个成功的设计就要求设计者对微细加工有很高的认识水平,因为即使是最普通的微电子机械设备都需要付出努力去制订一套合理的加工工艺。与制造分开的设计工具和方法,可以减少设计者为成功实现微电子机械设备所需的时间与精力。这也使得仅经过一次或极少次数的反复就可完成更多的可加工的设计,变得稀松平常。由于具有广泛的细微加工知识不再是开始设计的先决条件,使更多的设计者能够加入到设计行列中来,这也使得设计更具有创造性和革新性。再之,与制造分离的设计系统能够在不增加开发时间和费用的情况下提高设计的整和水平。为变得更实用,该系统应能让设计者在设计过程中就能了解其设计的加工工艺性,也能让制造专家为设计者提供必要的支持功能。
  微电子机械技术还需要品质控制标准。通常情况下,无论是学术机构或是商业系统制造的微电子机械设备的质量都较差。部分原因是因为这项技术太新以至于制造者仍不知道怎样去规范质量怎样去做检测。
  需要增加在国立大学受过良好培训的工程师和专家的数量。目前毕业于国立大学微电子机械技术人员的数量远不能满足支持微电子机械技术工业发展的需要。培养微电子机械工程师和专家的传统方法是在一些研究学院开展研究生教育,由一个经验丰富的微电子机械技术人员带领学生去设计、制做和测试一些新的、独特的、有前途的微电子机械设备。这样的方法培养一个研究生的成本高,周期长。需要新的方法来增加微电子机械工程师和专家的数量,同时又能降低成本提高教育质量。