微机电系统(MEMS)的基本工艺和应用

自20世纪中期以来，微电子技术及其加工工艺得到迅速的发展。在此基础上，微机械加工技术 (Micromachining Technology），特别是针对微型传感器与微型执行器的研究也取得显著的进步。微机电系统（Micro- Electro - Mechanical System, MEMS)是指将微电子器件、微结构与微机械组件（微传感器、微执行器）集于一体的集成系统，它代表一种在电子领域与其他能源形式进行物理量或化学量交换的系统，是一个横跨众多研究领域的交叉学科。近年来，MEMS在以往微电子组件与微机械组件的基础上，已经逐渐容纳交汇其他的学科领域，包括微热学、微光学、微磁学、微流体学、微生物学、微化学等，如图2-16所示。微传感器与微执行器也称为换能器 （Transducer)。

MEMS 加工工艺沿袭自IC产业，在主要的加工工艺中还保留了许多IC的基本工艺，如光刻、注入、掺杂、溅射、蒸发、PECVD、LPCVD、氧化、湿法刻蚀等。但是 MEMS 在其发展的过程中也逐渐加入了许多具有特色的加工工艺，

如表面微机械加工 工艺、体硅加工工艺、硅片键合工艺、制作高深宽比结构的LIGA 工艺和非硅工艺等。

MEMS 技术目前主要应用在消费电子领域，特别是在汽车与手机中已得到广泛的应用。例如，其在智能手机中的应用包括陀螺仪、温度传感器、湿度传感器、麦克风、显示传感器、距离传感器、光强传感器等。

此外，MEMS 通常需要集成多种传感器组件、驱动单元及相关集成电路处理器，且在理想情况下还需要集成微型能源 （如能量采集器件） 与通信元器件。采用 MEMS 能量采集器件与集成电路、无线通信模块组合而成的自供能无线传感网络系统如图 2-17 所示。

纳机电系统 ( Nano-Electro-Mechanical System, NEMS) 是在微机电系统基础上发展起来的，其典型特征是器件与系统的尺寸为纳米量级。在纳米尺度以下，材料表面效应、尺度效应等一些有别于宏观尺寸的特性将会被凸显出来，从而主导器件与系统的性能。在材料与工艺方面，纳机电器件不只是微机电器件的简单缩小，在器件上还会增置一些新型纳米材料来扩展 NEMS 的功能，如石墨烯、富勒烯（Fullerene）、碳纳米管及其他二       维材料和生物材料等。先进的电子束曝光及纳米压印等技术也被广泛用来制作 NEMS。

NEMS 目前主要应用在具有超高灵敏度的传感器、生物医疗器件、高密度数据存储、高频谐振器等方面。敏感机理主要包括纳米材料与纳米结构的电阻响应、频率响应、荧光特性、磁响应特性等多种物理机制。例如，在 50μmx6μmx0.17μm 的硅悬臂梁 (Cantilever）末端固定一簇碳纳米管来吸附氢气。该悬臂梁采用静电激励谐振，通过测量该器件在10⁻⁷Pa 真空中的谐振频率变化可进行微小质量检测。采用反馈电路控制，该悬臂梁的谐振频率可达 1MHz，器件在真空中的品质因数高达 50 000，分辨率为 5×10⁻¹⁸g。如此高的质量检测分辦率，相当于可以检测到 150 万个氢气分子。

审核编辑：汤梓红