微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)是現(xiàn)在備受矚目的新興技術(shù)之一，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。MEMS的應(yīng)用范圍除了涵蓋熱門的IT、通信、消費(fèi)類等領(lǐng)域外，也適用于汽車、軍事、生物、醫(yī)療、化學(xué)等各種領(lǐng)域，幾乎任何需要機(jī)械器件的小型化電子系統(tǒng)都可使用MEMS技術(shù)。

MEMS技術(shù)具有小尺寸、多樣化、微電子等特點(diǎn)，它將信息系統(tǒng)的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。MEMS與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，不僅體積縮小，而且，在力學(xué)原理和運(yùn)動學(xué)原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發(fā)生變化，同時(shí)，它又屬于多學(xué)科交叉的新領(lǐng)域，是融合微電子與精密機(jī)械加工的技術(shù);是集微型機(jī)構(gòu)、傳感器信號處理、控制等功能于一體的，具有信息獲取、處理和執(zhí)行等多功能的系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的關(guān)鍵技術(shù)主要是微機(jī)電系統(tǒng)的加工技術(shù)，微傳感器技術(shù)，微執(zhí)行器和微機(jī)構(gòu)技術(shù)，微機(jī)電系統(tǒng)的裝配與封裝技術(shù)等。

1、MEMS加工技術(shù)

MEMS加工技術(shù)主要分為三種，分別以美國為代表的硅基MEMS技術(shù)、日本以精密加工為特征的微加工技術(shù)和德國的LIGA技術(shù)。

（1）硅基MEMS技術(shù)
以美國為代表的硅基MEMS技術(shù)是利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進(jìn)行加工，形成硅基MEMS器件。這種方法可與傳統(tǒng)的IC工藝兼容，并適合廉價(jià)批量生產(chǎn)，已成為目前的硅基MEMS技術(shù)主流。

各向異性腐蝕技術(shù)就是利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點(diǎn)而進(jìn)行腐蝕技術(shù)，其主要特點(diǎn)是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關(guān)。它靠調(diào)整器件結(jié)構(gòu)，使它和快腐蝕的晶面或慢腐蝕的晶面方向相適應(yīng)，利用腐蝕速度依賴雜質(zhì)濃度和外加電位這一特性可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)停止腐蝕。利用此技術(shù)可以制造出MEMS的精密三維結(jié)構(gòu)。

固相鍵合技術(shù)就是不用液態(tài)粘連劑而將兩塊固體材料鍵合在一起，且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽極鍵合（靜電物理作用）和直接鍵合兩種。陽極鍵合主要用于硅-玻璃鍵合，可以使硅與玻璃兩者的表面之間的距離達(dá)到分子級。直接鍵合技術(shù)（依靠化學(xué)鍵）主要用于硅-硅鍵合，其最大特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)硅一體化微機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在邊界失配的問題。

表面犧牲層技術(shù)(又稱為表面微機(jī)械)是在20世紀(jì)80年代由美國加州大學(xué)Berkeley分校開發(fā)出來的，它以多晶硅為結(jié)構(gòu)層，二氧化硅為犧牲層。表面犧牲層技術(shù)與集成電路技術(shù)最為相似，其主要特點(diǎn)是在“薄膜+淀積”的基礎(chǔ)上，利用光刻、腐蝕等IC常用工藝制備微機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術(shù)釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可動結(jié)構(gòu)。最成功的表面犧牲層技術(shù)目前采用多晶硅薄膜作結(jié)構(gòu)材料、二氧化硅薄膜作犧牲層材料，該工藝為薄膜工藝，最大的優(yōu)點(diǎn)是容易將機(jī)械結(jié)構(gòu)與處理電路批量集成制造。

(2) 微加工技術(shù)
以日本為代表的微加工技術(shù)利用傳統(tǒng)機(jī)械加工手段，用大機(jī)器制造小機(jī)器，再用小機(jī)器制造微機(jī)器。此加工方法可以分為兩大類：超精密機(jī)械加工及特種微細(xì)加工。超精密機(jī)械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象材料進(jìn)行切削加工，所得的三維結(jié)構(gòu)尺寸可在0.01mm以下。此技術(shù)包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。

特種微細(xì)加工技術(shù)是通過加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個(gè)分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學(xué)能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機(jī)械加工和特種微細(xì)加工技術(shù)的加工精度已達(dá)微米、亞微米級，可以批量制作模數(shù)僅為0.02左右的齒輪等微機(jī)械元件，以及其它加工方法無法制造的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)器件。

(3) LIGA技術(shù)
以德國為代表的LIGA技術(shù)利用X射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和鑄塑工藝，形成深層微結(jié)構(gòu)。利用LIGA技術(shù)可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其加工深度可達(dá)幾百微米。

LIGA技術(shù)與其它立體微加工技術(shù)相比有以下特點(diǎn)：
•可制作高度達(dá)數(shù)百至1000μm，深寬比可大于200，側(cè)壁平行偏離在亞微米范圍內(nèi)的三維立體微結(jié)構(gòu)；
•對微結(jié)構(gòu)的橫向形狀沒有限制，橫向尺寸可以小到0.5μm，精度可達(dá)0.1μm；
•用材廣泛，金屬、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作為LIGA的加工對象；
•與微電鑄、鑄塑巧妙結(jié)合可實(shí)現(xiàn)大批量復(fù)制生產(chǎn)，成本低。
LIGA的主要工藝步驟如下：在經(jīng)過X光掩模制版和X光深度光刻后，進(jìn)行微電鑄，制造出微復(fù)制模具，并用它來進(jìn)行微復(fù)制工藝和二次微電鑄，再利用微鑄塑技術(shù)進(jìn)行微器件的大批量生產(chǎn)。

由于LIGA所要求的同步X射線源比較昂貴，所以在LIGA的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了準(zhǔn)LIGA技術(shù)，它是用紫外光源代替同步X射線源，雖然不能達(dá)到LIGA加工的工藝性能，但也能滿足微細(xì)加工中的許多要求。由LIGA工藝發(fā)展起來的還有SLIGA、M2LIGA、抗蝕劑回流PRLIGA等。由上海交通大學(xué)和北京大學(xué)聯(lián)合開發(fā)、具有獨(dú)立知識產(chǎn)權(quán)的DEM技術(shù)，也屬于LIGA技術(shù)中的一種。該技術(shù)采用感應(yīng)耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進(jìn)行常規(guī)的微電鑄和微復(fù)制工藝，該技術(shù)因不需要昂貴的同步輻射X光源和特制的X光掩摸板而具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、微傳感器技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)起源于微型硅傳感器的發(fā)展，微傳感器已經(jīng)成為微機(jī)電系統(tǒng)的三大組成部分之一。根據(jù)微傳感器檢測對象所屬分類的不同，可將傳感器分為物理量傳感器、化學(xué)量傳感器以及生物量傳感器，而其中每一大類下又分包含許多小類，如物理量傳感器包括力學(xué)的、光學(xué)的、熱學(xué)的、聲學(xué)的、磁學(xué)的等多種傳感器，化學(xué)量傳感器又分為氣敏傳感器和離子敏傳感器，而生物傳感器可分為酶傳感器、免疫傳感器、微生物傳感器、細(xì)胞傳感器、組織傳感器和DNA 傳感器等。目前，由于微電子技術(shù)的發(fā)展，很多微傳感器已能大批量生產(chǎn)，而且部分微傳感器，如力學(xué)傳感器已取得了巨大的商業(yè)成功，形成產(chǎn)業(yè)化。由于微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展需要，微傳感器正在向集成化，智能化的方向發(fā)展。

3、微執(zhí)行器和微機(jī)構(gòu)技術(shù)

微機(jī)構(gòu)和微執(zhí)行構(gòu)是微機(jī)電系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。微執(zhí)行機(jī)構(gòu)是微機(jī)電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)微操作的關(guān)鍵驅(qū)動部件，它根據(jù)系統(tǒng)的控制信號來完成各種微機(jī)械運(yùn)動，如用微型泵抽取液體，微型機(jī)械手移動手術(shù)刀等。微執(zhí)行器按照其工作原理主要可分為五類：電學(xué)執(zhí)行器、磁學(xué)執(zhí)行器，流體執(zhí)行器，熱執(zhí)行器和化學(xué)執(zhí)行器等。

微型機(jī)構(gòu)常常是用硅微加工得到的，微機(jī)構(gòu)常用來作為傳動或驅(qū)動件。常見的微型機(jī)構(gòu)有微型連桿機(jī)構(gòu)、微型齒輪機(jī)構(gòu)、微型平行四邊形機(jī)構(gòu)、微型梳狀機(jī)構(gòu)等。

微機(jī)構(gòu)和微執(zhí)行器的運(yùn)動與宏觀機(jī)械運(yùn)動有很多的不同。當(dāng)微機(jī)械系統(tǒng)的尺寸小到微米級以下時(shí)，許多在宏觀機(jī)械系統(tǒng)中物理現(xiàn)象將發(fā)生顯著的變化，這稱為微機(jī)電系統(tǒng)的尺度效應(yīng)。因此，設(shè)計(jì)微機(jī)構(gòu)和微執(zhí)行機(jī)構(gòu)必須研究微觀領(lǐng)域中的許多基礎(chǔ)理論知識，如微觀動力學(xué)知識，微液壓系統(tǒng)的知識。

4、MEMS的裝配與封裝技術(shù)

MEMS的裝配（assembly）與封裝(packaging)技術(shù)是微機(jī)電系統(tǒng)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，已生產(chǎn)的微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格非常昂貴，主要原因之一在于微機(jī)電系統(tǒng)的裝配和封裝的成本太高。特別是一些復(fù)雜的微系統(tǒng)，其裝配和封裝所需的費(fèi)用往往是設(shè)備生產(chǎn)費(fèi)用的幾十上百倍。微機(jī)電系統(tǒng)的元件的裝配必須定位非常精確，如果全部用人工裝配，將消耗大量的資金和時(shí)間。因此在設(shè)計(jì)微機(jī)電系統(tǒng)時(shí)，必須先考慮其裝配問題。目前微機(jī)電系統(tǒng)的裝配常各種不同的技術(shù)達(dá)到自動校準(zhǔn)和自動裝配，如利用表面張力把兩個(gè)微型板吸在一起形成所需的微機(jī)構(gòu)。隨著制造工藝的發(fā)展，微系統(tǒng)的裝配引起了越來越多的關(guān)注和研究。如日本政府近年來正在投資一項(xiàng)微機(jī)械研究項(xiàng)目，發(fā)展桌面頂端微機(jī)械工廠（a desk-top micromachines factory）。微機(jī)電系統(tǒng)的封裝主要用來保護(hù)在惡劣環(huán)境中使用的設(shè)備，避免其受到機(jī)械損壞、化學(xué)侵蝕、或電磁干擾等。微機(jī)電系統(tǒng)的封裝必須帶有一定的電氣、液壓、光纖接中，必須便于使用者操作，能與其它設(shè)備相連。目前，集成電路的封裝技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而微機(jī)電系統(tǒng)的封裝卻大大滯后于器件的研究。這個(gè)問題不解決，就不可能降低目前微機(jī)電系統(tǒng)昂貴的費(fèi)用。這已經(jīng)引起了人們的重視，并有多種不同形式的封裝形式出現(xiàn)，如引人注目的芯片級或硅片級封裝能大大降低封裝成本。

MEMS的潛在應(yīng)用范圍很廣，未來值得期待的全新市場，包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能型藥丸、芯片上實(shí)驗(yàn)室(Chip-On-Lab)等等，能廣泛運(yùn)用于汽車、生物醫(yī)學(xué)、通信，以及消費(fèi)類產(chǎn)品裝置上。不過，雖然商機(jī)龐大，但其技術(shù)門坎也相當(dāng)高，除了少不了大量的研發(fā)資金外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)更需要對基礎(chǔ)科技有深入的掌握，甚至得進(jìn)行跨科技的合作，才能將產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室?guī)氲疆a(chǎn)業(yè)化的階段。就半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，MEMS與生產(chǎn)工藝未來的單芯片中可望整合音訊、光線、化學(xué)分析及壓力、溫度感測等子系統(tǒng)，因而發(fā)展出人體眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等感官功能的芯片；如果再加入對電磁、電力的感應(yīng)與控制能力，那就超越人體的能力了。雖然，如何讓MEMS在工藝面進(jìn)入到如同今日CMOS般的標(biāo)準(zhǔn)程序，將是產(chǎn)業(yè)鏈上的一大挑戰(zhàn)。但隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展和日益成熟，MEMS將是二十一世紀(jì)最有前途的產(chǎn)業(yè)之一，具有廣闊的發(fā)展空間。