微机电系统的核心技术及其研究发展现状(2)

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,由微加工技术制造的微型传感器、微型执行器及集成电路组成的器件或系统,集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。本文介绍了微机电系统的核心技术,指明了MEMS 技术的发展趋势。

（1）结构材料。目前，用来研制生产MEMS 的衬底材料主要仍是单晶硅、多晶硅、氧化硅等硅材料，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。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、磁致伸缩材料等已用在多种MEMS(如微流量泵和微阀)致动器上。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。

2.3. MEMS 加工工艺

MEMS工艺技术研究中有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。

2.3.1. 硅微机械加工技术

硅基微机械加工技术源于集成电路加工技术，将传统的集成电路加工技术由二维平面加工发展成为三维立体加工技术，其最关键的加工工艺主要包括体微加工技术、表面牺牲层技术和键合技术等。

在体微机械加工过程中，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)，或者一些独特的三维结构。体微加工工艺的优势在于可获得较大几何尺寸的MEMS 结构，机械性能好，但与集成电路工艺不易兼容。

表面牺牲层技术(又称为表面微机械) 是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。最成功的表面牺牲层技术，目前采用多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料。

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、阳极键合、共熔键合等。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。

2.3.2. 精密微机械加工技术

超精密机械加工以金属为加工工件，用硬度高于加工工件的工具，对工件材料切削加工，所得的三维结构尺寸可在0. 01 mm 以下。此技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨削与研磨加工等。

特种微细加工技术是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切削加工。常用的特种超精密微机械加工技术包括能束(电子束、离子束、激光束) 微机械加工、电化学加工、微细电火花加工、

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