一文解读微机电系统的基础知识

文章来源：老千和他的朋友们

原文作者：孙千

微机电系统（MEMS，Micro-electro-mechanical System，亦称微系统），是一类在微尺度下实现机械结构与电子电路集成的技术系统，也是物联网技术落地过程中的核心支撑技术之一。本文将介绍微机电系统的组成、技术支持、制备和未来发展趋势。  

微机电系统（MEMS，Micro-electro-mechanical System，亦称微系统），是一类在微尺度下实现机械结构与电子电路集成的技术系统，也是物联网技术落地过程中的核心支撑技术之一。

典型的 MEMS 器件涵盖加速度传感器、陀螺仪、压力传感器、微型反射镜、喷墨打印头、麦克风及扬声器等。这类器件的制造与组装多采用半导体工艺，其核心为晶片级集成的 MEMS 芯片——该芯片将微机械结构与电子电路整合于同一基底，形成功能完整的微型器件。

目前，MEMS 已作为关键电子元件广泛渗透至多个领域，包括家用电器、汽车电子、物联网终端、通信设备及医疗器材等。

MEMS 与集成电路（IC）在制造工艺及微小型化技术方面存在诸多共性，但二者在功能定位、工作原理及应用场景上差异显著。

集成电路由晶体管、电容器、电阻器等纯电子元件构成，核心作用是实现电信号的处理、控制、逻辑运算及数据存储，是电子设备的 “信息处理核心”。

而 MEMS 以物理运动与物理量测量为核心功能，由传感器（信号感知单元）和执行器（驱动单元）组成，侧重实现 “物理量 - 电信号” 的转换或机械动作的驱动。从结构与形态来看，MEMS 的应用场景决定了其外观、内部构造及尺寸存在较大差异——小至微米级的传感器芯片，大至集成化的微型执行机构，均属于 MEMS 的范畴。其典型应用除前文提及的传感器与声学器件外，还包括微型阀门、光开关等功能组件。

一个形象的类比可帮助理解二者的定位：若将专注于信息处理与存储功能的集成电路比作人体的大脑，那么融合机械运动与传感功能、具备各类物理作用的 MEMS，便如同人体的运动系统与感觉器官——前者负责信息的运算与记忆，后者负责环境感知与动作执行，二者协同支撑现代电子设备的综合功能实现。

微机电系统的定义与核心构成

微机电系统的关键物理尺寸，小到远不足1微米，大到数毫米。判断是否为微机电系统，核心看其衬底上是否至少包含部分具有机械功能的元件，无论这些元件能否运动。它的器件类型多样，既有无机械运动元件的简单结构，也有将微电子技术与微机械结构集成在同一硅衬底上的复杂机电系统。

微机电系统的核心组成是微型传感器和微型执行器，二者都属于 “换能器”，能将一种能量形式转换为另一种能量形式。

微型传感器的作用是感知环境，可将温度、压力、惯性力、化学物质、磁场、辐射等物理或化学信号，转化为电信号或光信号。过去几十年里，研究人员开发出了对应几乎所有传感模态的微传感器，不少微传感器的性能超过了宏观同类产品。比如微机电系统级压力传感器，在精度、响应速度等方面表现更优。

它借鉴集成电路（IC）行业的批量制造技术，在保证性能的同时，大幅降低了单位器件成本，基于硅的分立微传感器已实现商业化，相关市场仍在增长。

微型执行器是微机电系统的执行部件，体型微小但能产生宏观层面的影响。目前已开发出多种微执行器，包括控制气体和液体流动的微型阀门、改变光束方向的光学开关和反射镜、用于显示的独立控制微镜阵列、适用于多种场景的微谐振器、产生正流体压力的微型泵、调节机翼气流的微型襟翼等。

有研究人员在飞机机翼前缘安装小型微执行器，仅靠这些微型器件就实现了飞机转向控制，这款飞机高速飞行时，能以接近一个机翼半径的转弯半径完成 180 度转向。

当微型传感器、微型执行器与集成电路在同一衬底上集成，微机电系统的潜力才能充分发挥。传感器收集环境信息，电子设备处理信息并制定决策，执行器根据决策执行操作改变环境状态。这种协同模式让微机电系统成为物联网的重要组成部分，像 “眼睛、耳朵、鼻子” 一样，持续收集、存储、处理和交换信息，与其他联网设备配合完成对环境的感知与控制。

微机电系统技术的核心特性

微机电系统技术有其自身特点，这些特点让它在诸多领域发挥重要作用。

它采用类集成电路工艺制造，能将多种功能集成到单个微芯片上。微型传感器、微型执行器、微型结构与微电子技术的集成能力，不仅提高了产品的功能密度，也为物联网的实现提供了重要支持。

在成本方面，它借鉴了集成电路行业的批量制造技术。虽然生产设备和每片晶圆的初始成本不低，但通过批量生产，成本可分摊到大量芯片上，复杂微型机电系统的单位器件或微芯片成本得以显著降低。这种低成本特性，让微机电系统能够大规模部署，维护和更换时也更具经济性。

可靠性是微机电系统的一大优势。集成电路制造技术与硅及其他多种薄膜材料的机械优势相结合，让微型机电系统的稳定性和耐用性大幅提升。硅作为核心材料，屈服强度接近不锈钢，强度重量比在工程材料中名列前茅，为微机电系统的高可靠性打下基础。

微型化是微机电系统的显著特征，也带来了诸多好处。它让产品的便携性提升，功耗降低，能在不增加产品重量的前提下，在更小空间内集成更多功能。同时，信号路径的缩短与功能的高密度集成，进一步提升了机电系统的整体性能。

微机电系统的技术基础

（一）微传感器技术

微传感器的实现基于电阻式、磁式、光电导式、压阻式、压电式等多种物理原理，这些原理已在微机电系统器件中成功应用。

压阻材料的电阻会随施加的机械应变变化，这种现象在半导体中尤为明显。应变会改变材料的电子能带结构，进而影响载流子散射率与传输方向。应变系数是压阻材料的关键指标，定义为电阻的归一化变化量与应变的比值，在某些配置下，硅的应变系数可达 200，而金属电阻的应变系数通常仅为 2-5。

压阻传感器的电阻（应变传感元件）通常放置在柔性表面或结构上，微机械加工技术可选择性去除衬底材料，降低器件传感区域的刚度，这类传感器常应用于汽车、医疗和工业控制市场。

图1 两种利用半导体中的压阻效应制成的微系统硅微传感器

电容式传感因结构简洁，在微机电系统传感器中应用广泛。两端器件的电容 C 可通过公式C=(ε_0×ε_r×A)/d计算，其中ε_0是真空介电常数，ε_r是电极间材料的相对介电常数，A 是电容面积，d 是电极间距。电容式传感器主要通过五种方式实现传感：改变电极间距；改变中心电极相对于两个外部电极的位置以实现差分测量；改变电极重叠面积；改变电极的差分重叠面积；改变电介质在电极间空间的位置（如图2 所示）。

图2 电容器用作传感元件的不同配置方式

压电效应也是制造微传感器的重要物理现象，指机械应变在材料中产生电极化（即电势），而施加电场会在材料中诱导机械应变，前者用于传感器，后者常用于执行器。硅和锗属于中心对称晶体，无压电效应（除非有应变诱导），石英、锆钛酸铅（PZT）、氧化锌（ZnO）等无对称中心的材料具有压电特性，其中 PZT 和 ZnO 可通过薄膜形式沉积在衬底上，用于微机电系统制造。

压电微机电系统扬声器横截面结构示例

（二）微执行器技术

微机电系统执行器的实现基于静电式、压电式、磁式、双金属式、形状记忆合金（SMA）式等多种原理，每种原理各有特点，需根据应用场景选择。

静电驱动利用两个带相反电荷的极板之间的相互吸引力，在施加电压 V 的情况下，极板间产生的力 F 可通过公式F=(ε_0×ε_r×A×V^2)/(2×d^2)计算（参数含义与电容公式一致）。这种驱动方式易于制造且能与电子设备集成，功耗低、机械带宽高，但力随位移和施加电压呈非线性变化，产生的力相对较小，工作电压可能较高。

双金属式微执行器利用两种不同材料的热膨胀系数差异工作。两种材料制成的复合结构被加热后，会产生热诱导应力，若结构足够柔性就会发生弯曲，其热应变可通过公式计算，其中αfilmA和αfilmB分别是顶层和底层薄膜的热膨胀系数，Telement和Tambient分别是双金属元件和环境的温度。

这类执行器可实现合理的位移量，偏转与功率呈线性关系，但加热功耗高、机械带宽低，设计和制造相对复杂，对环境条件敏感。在薄的柔性硅悬臂梁上沉积铝薄膜，通过铝层通电焦耳加热，就能制成简单的双金属微执行器，因两种材料膨胀系数不同，悬臂梁会发生弯曲。

形状记忆合金（SMA）是制造微执行器的常用材料，加热时会发生马氏体向奥氏体的相变，并恢复到无应变状态，即具有记忆效应。作为执行器使用时，SMA 在室温下处于马氏体相且无应变，在室温下施加应变后，通过加热引发相变，就能实现应变恢复并产生较大的执行器能量密度。

SMA 可通过溅射沉积在硅晶圆上形成薄膜，通常通过焦耳加热，记忆效应可逆，可重复使用。它的能量密度高，能实现超过8%的大恢复应变，但功耗高、机械带宽低，加工复杂，在高应变水平下反复循环可能出现疲劳现象。

（三）微机电系统常用材料

制造微机电系统器件的材料包括半导体、金属、玻璃、陶瓷和聚合物等。因微机电系统器件需满足电学、机械、化学、热学等多方面功能需求，选择材料时需综合考虑其电学特性和非电学特性。

硅材料：硅是微机电系统中最常用的材料，相关基础设施和知识体系成熟，且机械性能优异，屈服强度接近不锈钢，强度重量比在工程材料中名列前茅。但硅也有局限性，应变超过极限会发生灾难性失效，且具有各向异性，材料特性会随晶体轴相对于载荷的取向而变化，这些都需在器件设计中考虑。

薄膜材料：除单晶硅外，多晶硅、氮化硅、沉积玻璃和铝等薄膜材料也广泛应用于微机电系统制造，这些薄膜通常通过化学气相沉积（CVD）工艺（如低压化学气相沉积（LPCVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD））或物理气相沉积（PVD）方法（如蒸发、溅射）沉积。

大多数薄膜沉积技术成本效益高，是微电子制造的热门选择，但往往会产生较大的残余应力及应力梯度，给具有机械功能的微机电系统器件制造带来挑战。薄膜的残余应力和应力梯度与材料类型、沉积温度、沉积方法和衬底材料相关，数值范围可从高度压应力到高度拉应力。

材料特性（尤其是机械特性）高度依赖制造过程中的工艺条件和流程，薄膜沉积后的残余应力在后续热加工步骤中可能发生显著变化。且每种微机电系统器件通常有定制化的工艺流程，难以提前预测薄膜最终的应力值。因此，微机电系统器件的开发和制造需与材料特性测量同步进行，通过迭代优化设计，这也增加了开发时间和成本。

此外，薄膜材料特性的测量存在难度，比如无法将薄膜从衬底剥离后进行载荷 -挠度测量，不过目前微机电系统领域已设计出多种测试结构，可用于测量关键材料特性。

（四）微机电系统设计工具

微机电系统设计比集成电路设计更复杂。集成电路领域的制造工艺技术和设计规则相对成熟，设计人员将其整合到计算机辅助设计工具中（仅考虑电学效应）即可开展设计，且相关工具预测器件性能的准确性较高。

微机电系统设计则面临多重问题：需为每种器件类型开发定制化工艺流程，设计规则在流程确定前未知；材料特性依赖未知的工艺流程和条件；许多微机电系统器件会同时出现电学、机械、热学、化学等多种物理现象，形成强耦合场；微机电系统设计人员还需具备深厚的制造工艺知识。

目前已有适用于微机电系统工艺、物理、器件和系统建模的设计工具。

工艺建模工具与集成电路行业所用工具基本相同，可帮助设计人员创建工艺模型和掩模图形，利用数值技术仿真加工步骤，但其预测机械材料特性的能力较弱，核心优势之一是能创建器件的三维渲染图。

物理层面的设计工具通过偏微分方程对真实三维连续体中的组件行为进行建模，包括解析工具和数值工具（如有限元法、边界元法、有限差分法），大多是宏观设计中数值建模工具的改进版本。

器件级模型为宏模型或降阶模型，可在有限范围内捕捉组件的物理行为，且与系统级模型兼容；系统级模型是高层次的框图和集总参数模型，将系统描述为一组耦合的常微分方程。

微机电系统的制造方法

微机电系统制造结合了集成电路领域的成熟技术（如氧化、扩散、离子注入、低压化学气相沉积（LPCVD）、溅射等）和专业化的微机械加工工艺，工艺技术具有定制化特性和多样化加工能力。

广泛使用的微机电系统设备与集成电路芯片类似，都是利用半导体技术制造的。

（一）前端制造工艺

体微机械加工是古老的微机械加工技术，通过选择性去除衬底材料实现微型机械组件，可采用化学、物理或化学机械方法，其中湿法化学体微机械加工在工业界应用广泛。

化学湿法蚀刻是常用的体微机械加工技术，将衬底浸入反应性化学溶液，使暴露区域以可测量的速率被蚀刻。它的蚀刻速率和选择性高，可通过调整蚀刻溶液成分、温度、衬底掺杂浓度、晶面等参数优化工艺。其基本机理包括反应物传输、表面反应、反应产物传输三个步骤，根据速率限制步骤的不同，分为 “扩散限制型”（可通过搅拌提高速率）和 “反应速率限制型”（重复性和蚀刻速率更优，实际应用中更常用）。

体微机械加工中的化学湿法蚀刻主要分为各向同性湿法蚀刻和各向异性湿法蚀刻。各向同性湿法蚀刻的速率与衬底晶体取向无关，蚀刻在各个方向均匀进行，硅最常用的蚀刻剂是硝酸（HNO₃）、氢氟酸（HF）和乙酸（HC₂H₃O₂）的混合溶液，反应式为Si+HNO3+HF→H2SiF6+NO+H2O，该反应因亚硝酸的再生具有自催化特性，且需在剧烈搅拌下进行以保证横向与垂直蚀刻速率一致。其掩模材料通常为二氧化硅和氮化硅，其中氮化硅因蚀刻速率更低而更常用。

各向异性湿法蚀刻的速率依赖于衬底晶体取向，硅晶体不同平面的蚀刻速率差异显著，这与不同平面的键配置和原子密度有关。该类蚀刻通常以 <100>、<110 > 和 < 111 > 法向晶体平面的蚀刻速率为表征标准，其中沿 < 111 > 平面的蚀刻速率最慢，不同晶格方向的蚀刻速率差异可高达 1000:1，原因是 < 111 > 平面暴露的硅原子密度最高，且平面下方有三个硅键形成化学屏蔽。

利用这一特性，各向异性湿法蚀刻可实现高分辨率蚀刻和严格的尺寸控制，还能进行双面加工形成自隔离结构，对暴露于恶劣环境的微机电系统器件（如压力传感器）的封装有利，目前已广泛应用于硅压力传感器、体微机械加工加速度计等器件制造，技术已成熟 30 年。

<100 > 取向硅衬底经各向异性湿法蚀刻后，可形成倒金字塔形、平底梯形等蚀刻坑（如图3 所示），其扫描电子显微镜（SEM）照片清晰展示了梯形蚀刻坑及压力传感器用薄膜的背面结构（如图 4a 和图 4b 所示）。

图3 <100> 取向硅衬底浸入各向异性湿法蚀刻剂溶液后，蚀刻轮廓形状示意图。

图4  （a）和（b）：<100> 取向硅衬底浸入各向异性湿法蚀刻剂后的SEM图。比例尺1微米。

常用的各向异性湿法蚀刻剂主要有三类：水性碱性溶液（如氢氧化钾（KOH）、氢氧化铵（NH₄OH）、四甲基氢氧化铵（TMAH）等），蚀刻速率高，<100>/<111 > 平面蚀刻速率比相对较高，其中 TMAH 在特定条件下对铝的蚀刻速率极低，适用于预处理过的微电子晶圆，但对二氧化硅掩模的蚀刻速率相对较高，可能导致晶圆碱污染（可通过适当清洗程序缓解）；乙二胺和邻苯二酚（EDP），<100>/<111 > 平面蚀刻速率比更高，可使用的掩模材料更多，但具有致癌性，蚀刻过程难以观察，清理困难；其他专用蚀刻剂。

氮化硅是各向异性湿法蚀刻的常用掩模材料，热生长二氧化硅也可使用，但需注意控制厚度（尤其是使用 KOH 蚀刻剂时），光刻胶不可用于任何各向异性蚀刻剂，钽（Ta）、金（Au）等金属在 EDP 中具有良好的耐蚀刻性，铝在特定条件下对 TMAH 也有耐蚀刻性。

各向异性蚀刻剂的蚀刻速率、蚀刻速率比和蚀刻选择性主要取决于溶液化学成分和温度，且遵循阿伦尼乌斯定律R=R0exp(−Ea/(kT))，其中 R₀为常数，Eₐ为激活能，k 为玻尔兹曼常数，T 为开尔文温度。

在体微机械加工中，精确控制硅薄膜厚度或蚀刻深度是关键需求，但受负载效应、温度变化、衬底厚度差异等因素影响，蚀刻均匀性难以保证。定时蚀刻通过蚀刻速率与时间的乘积确定深度，但控制难度大，易受多种因素影响。为此，蚀刻停止法应运而生，主要包括掺杂蚀刻停止法和电化学蚀刻停止法。

掺杂蚀刻停止法通过高浓度 p 型硼掺杂（>5×10¹⁹ cm⁻³）形成蚀刻停止层，使高掺杂区域蚀刻速率显著降低（如图 5 所示），但高掺杂表面层可能不适用于部分器件（如压阻器件）；电化学蚀刻停止法能够提供良好的尺寸控制，可制造轻掺杂材料膜片（适用于高质量压阻器件），但需特殊夹具和电子控制系统。

图5 不同蚀刻剂浓度下，<100> 取向硅晶圆的蚀刻速率与硼浓度的关系图。

表面微机械加工是主流制造技术，核心流程包括：沉积薄膜材料作为临时牺牲层；在牺牲层上沉积并图案化结构层（薄膜器件层）；去除临时牺牲层，使机械结构层摆脱约束并自由移动。以多晶硅悬臂梁制作为例，首先沉积并图案化氧化物牺牲层，随后沉积并图案化多晶硅结构层，最后去除牺牲层即可获得可自由移动的悬臂梁（如图 6 所示）。

图6 表面微机械加工工艺示意图

该技术的垂直和水平方向尺寸控制精确（垂直尺寸由沉积膜厚度决定，水平尺寸由光刻和蚀刻工艺保真度决定），可与微电子器件兼容实现集成，能利用薄膜沉积特性（如 LPCVD 的保形覆盖），且采用单面晶圆加工，集成密度更高、单位芯片成本更低。

但也存在缺点：结构薄膜的机械特性未知且需测量，残余应力较高（需高温退火降低），残余应力会随后续热加工变化，机械特性重现性难实现，且结构层释放过程中易因毛细作用力发生粘连（需特殊释放工艺和抗粘连涂层）。图 7 展示了采用表面微机械加工工艺制造的多晶硅谐振器结构。

图7 采用表面微机械加工工艺制造的多晶硅谐振器结构

晶圆键合技术用于将两个或多个晶圆连接形成多晶圆堆叠结构，主要分为直接键合（熔融键合）、场辅助键合（阳极键合）和使用中间层的键合三类，所有方法均要求衬底具有高平整度、光滑度和清洁度。

直接键合常用于硅晶圆之间或硅与氧化硅晶圆之间的连接，基本工艺包括清洁与表面制备、预键合、退火前检查、高温退火（通常约 1000°C）、最终检查五个步骤，晶圆通过表面水合产生的氢键初步连接，高温退火后键合强度可与单晶硅相当，等离子体处理可降低退火温度至 250-300°C 甚至更低。

阳极键合利用电场和高温将硅晶圆与派热克斯（Pyrex）7740 晶圆键合，借助 Pyrex 玻璃中钠离子的迁移形成强电场，实现表面化学融合，其优势是 Pyrex 7740 与硅的热膨胀系数接近，残余应力低，广泛应用于微机电系统封装。

此外，共晶键合（金中间层）、玻璃料键合（玻璃浆料中间层）、聚合物键合（环氧树脂、聚酰亚胺等中间层）也在微机电系统制造中各有应用。

高深宽比微机电系统制造技术能够制造具有极深特征的微结构，主要包括硅的深反应离子蚀刻（DRIE）、玻璃的深反应离子蚀刻、LIGA 技术和热压印。硅的 DRIE 是高度各向异性的等离子体蚀刻工艺，蚀刻深度可达数十微米、数百微米甚至贯穿硅衬底，主流工艺为博世（Bosch）工艺，通过六氟化硫（SF₆）蚀刻周期与八氟环丁烷（C₄F₈）聚合物沉积周期交替进行，实现深沟槽加工（如图8 所示）。

图 8 深反应离子蚀刻（DRIE）工作原理示意图

该工艺蚀刻的侧壁呈搓板状或扇贝状，最新设备蚀刻速率可超过 20 微米 / 分钟，掩模选择性（光刻胶 75:1、氧化物 150:1）和深宽比（最高 30:1，实际常用 15:1）表现优异，其制造的硅微结构横截面 SEM 照片清晰展示了高深宽比和深沟槽特性（如图9 所示）。

图 9 硅晶圆横截面的扫描电子显微镜（SEM）照片，展示了利用深反应离子蚀刻（DRIE）技术能够制造的高深宽比和深沟槽结构

玻璃的深反应离子蚀刻可形成深度超 100 微米、深宽比超 4:1 的沟槽（如图 4.10 所示、），采用镍硬掩模（选择性约 10:1），蚀刻工艺连续无扇贝状图案，但易受微掩模影响。LIGA 技术通过 X 射线曝光 PMMA 层、显影后电镀金属、去除 PMMA 获得金属微结构，具有侧壁光滑、垂直性好、穿透深度深等优势，但成本较高，其变体可通过工具嵌件重复使用降低成本。热压印技术利用金属工具嵌件将图案压印到聚合物衬底，成本低、尺寸控制好，适用于微流体组件生产。

图10 玻璃衬底中蚀刻的高深宽比结构的扫描电子显微镜（SEM）照片，由微机电系统与纳米技术交流中心完成

（二）其他微机械加工技术

除上述核心工艺外，二氟化氙（XeF₂）干法蚀刻、电火花微加工、激光微加工、聚焦离子束（FIB）微加工等技术也在微机电系统制造中发挥作用。

XeF₂干法蚀刻是硅的各向同性蚀刻剂，对氮化硅、二氧化硅等材料选择性高，无粘连问题，适用于 CMOS 晶圆上的微结构加工；电火花微加工利用电击穿放电去除导电材料，可制造数十微米的小孔，但属于串行工艺，速度慢、成本高；激光微加工通过聚焦激光能量实现材料熔化、汽化或光消融，适用于多种材料，飞秒激光技术的应用进一步提升了加工精度和材料兼容性；FIB 微加工可将光斑聚焦至 50 纳米，实现极小结构制造，还可完成离子诱导沉积、光刻、掺杂等多种任务，具备成像和成分分析功能。

微机电系统的未来趋势

微机电系统未来将朝着更高集成度、更多功能、更小尺寸规模发展。随着制造能力的提升，有望在单个硅片上集成多种传感器、执行器及先进电子设备，在小空间内实现多功能且保持低成本。同时，微机电系统与纳米技术的融合将不断加深，进一步拓展性能边界和应用场景。

微机电系统在物联网中的应用是核心发展方向。物联网通过通信网络连接物理对象，实现信息的收集、存储、处理和交换，而微机电系统器件恰好能满足物联网对廉价、不引人注目且具备感知与控制能力的设备需求。它将在智能家居、工业物联网、智能交通、医疗健康等多个领域发挥作用，成为推动物联网规模扩张的主要驱动力。

结论

微机电系统技术是一项融合多学科知识、具备多样化加工能力的综合性技术，并非针对特定应用或器件的单一制造工艺。它通过微型化、批量制造和与电子设备的集成，改变了机械系统的设计理念，为各领域智能产品开发提供了新的能力。

尽管微机电系统器件在产品的成本、尺寸和重量中占比通常较小，但对产品的性能、可靠性和可负担性起着关键作用。微机电系统行业与集成电路行业有着共同的起源，但应用范围更广泛、技术形态更多样，已发展成为一项独立的标志性技术。在物联网时代，微机电系统的多样性、经济重要性和潜在应用范围将不断扩大，为科技进步和产业升级提供支撑。