關(guān)于MEMS的技術(shù)簡(jiǎn)介

MEMS全稱Micro Electromechanical System（微機(jī)電系統(tǒng)），是一種通常在硅晶圓上以IC工藝制備的微機(jī)電系統(tǒng)，微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學(xué)腐蝕、晶片鍵合等，同時(shí)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上制備了電極，以便通過電子技術(shù)進(jìn)行控制。

生活中有哪些MEMS器件？

第一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS馬達(dá)于1988年誕生于加州大學(xué)伯克利分校，如圖1所示；之后于1989年，美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制了第一個(gè)橫向梳齒驅(qū)動(dòng)器，微機(jī)械結(jié)構(gòu)可以在垂直于表面的方向移動(dòng)。

圖.1 加州大學(xué)伯克利分校研制的第一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的MEMS馬達(dá)

圖.2 美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的第一個(gè)橫向梳齒驅(qū)動(dòng)器

經(jīng)過30年的發(fā)展，MEMS器件已經(jīng)滲透于我們的生活之中。轉(zhuǎn)屏是智能手機(jī)中的一項(xiàng)基本功能，如圖.3所示，這項(xiàng)功能是通過MEMS陀螺儀來實(shí)現(xiàn)的。圖.4展示了傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀與MEMS陀螺儀的對(duì)比，后者比前者小得多，因而得以在智能手機(jī)和平板電腦中廣泛應(yīng)用。如圖.5所示，出于安全考慮，氣囊是汽車中的必備裝備，它們會(huì)在發(fā)生撞車時(shí)自動(dòng)充氣膨脹，保護(hù)乘客的安全。安全氣囊對(duì)撞車事件的迅速檢測(cè)得益于其中的MEMS器件，圖.6展示了MEMS加速度計(jì)的芯片結(jié)構(gòu)。用于傳感檢測(cè)的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一個(gè)殼體里面。此外，MEMS技術(shù)在生活中的其他應(yīng)用包括MEMS麥克風(fēng)、MEMS投影儀、MEMS壓力傳感器，等等。

圖.3 MEMS陀螺儀在智能手機(jī)中的應(yīng)用—轉(zhuǎn)屏功能

圖.4 傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀（左）與MEMS陀螺儀（右)

圖.5 汽車中的安全氣囊（內(nèi)有MEMS器件）

圖.6 MEMS加速度計(jì)的芯片（左）和封裝形式（右）

MEMS技術(shù)的特有工藝

MEMS器件與IC芯片的制備工藝非常相似，但MEMS器件有兩個(gè)重要特征：高深寬比的微結(jié)構(gòu)和懸臂結(jié)構(gòu)，因此需要一些特有的工藝來制備。

第一項(xiàng)特有工藝是用于制備高深寬比結(jié)構(gòu)的LIGA技術(shù)，LIGA是X射線光刻技術(shù)的德語簡(jiǎn)稱，于1982年由德國(guó)卡爾斯魯厄核研究中心開發(fā)出來。LIGA技術(shù)的工藝步驟如圖4.7所示，包括對(duì)基片上光刻膠的X射線光刻、光刻膠顯影、在光刻膠結(jié)構(gòu)上的金屬電鑄、從光刻膠結(jié)構(gòu)中剝模、以結(jié)構(gòu)材料充模（圖4.7中的結(jié)構(gòu)材料是聚合物）和脫模，從而制備出最終的微機(jī)械結(jié)構(gòu)[7]。

圖.7 LIGA技術(shù)的工藝步驟

第二項(xiàng)特有工藝是制備懸臂結(jié)構(gòu)表面微加工技術(shù)，該技術(shù)于1980年代由加州大學(xué)伯克利分校的研究人員開發(fā)出來。表面微加工技術(shù)的工藝步驟如圖.8所示，第一步是對(duì)帶有犧牲層的基片涂覆光刻膠并進(jìn)行光刻，然后依次對(duì)光刻膠和犧牲層進(jìn)行顯影操作。第三步是沉積結(jié)構(gòu)層的材料，然后在第四步，通過光刻將微結(jié)構(gòu)的圖形投影于結(jié)構(gòu)層之上的光刻膠。第五步通過刻蝕工藝制備出結(jié)構(gòu)層，然后通過化學(xué)腐蝕工藝釋放結(jié)構(gòu)層之下的犧牲層，得到最終的懸臂式微結(jié)構(gòu)。

圖.8 表面微加工技術(shù)的工藝步驟

MEMS器件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

MEMS是一種微電機(jī)系統(tǒng)，在制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)之后，需要以電子技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。典型的驅(qū)動(dòng)機(jī)制如圖.9所示，包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。

圖.9 MEMS器件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

在圖9（a）中，懸臂梁底部和基底上部均制備了電極，當(dāng)兩個(gè)電極加載偏壓時(shí)，產(chǎn)生靜電吸引，懸臂梁變形，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)對(duì)機(jī)械動(dòng)作的控制。在圖9（b）中，懸臂梁底部和基底上部均制備了電磁線圈，當(dāng)線圈中通電流時(shí)，產(chǎn)生電磁力使懸臂梁發(fā)生形變。電磁力可以是引力或者斥力，取決于所通電流的方向。在9（c）中，懸臂梁以磁致伸縮材料制備，當(dāng)懸臂梁的兩端加載電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生伸縮效應(yīng)。在9（d）中，懸臂梁為雙層結(jié)構(gòu)，兩層以不同熱膨脹系數(shù)的金屬材料制備。當(dāng)懸臂梁通電流時(shí)，因熱電偶效應(yīng)，將會(huì)彎向熱膨脹系數(shù)較小的材料一側(cè)。

在MEMS器件的所有驅(qū)動(dòng)機(jī)制中，靜電引力結(jié)構(gòu)因制備簡(jiǎn)單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應(yīng)用。