MEMS：微机电系统的概述和发展历程

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前言

虽然大部分人对于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, 简称MEMS）感到相对陌生，但MEMS已经广泛存在于日常生活、企业生产中，甚至到了无处不在的程度，MEMS器件在各个领域几乎都有应用，广泛覆盖了以智能电视、智能手机和VR/AR头戴式设备等为代表的消费电子产品领域，以数控机床、工业机器人等为代表的机械领域，到以无人驾驶汽车等为代表的汽车工业领域、以航天飞机，再到反导系统等为代表的军工和航空航天领域，以及化工及医疗器械等各行各业。

2023年，我国MEMS市场规模约为1137.3亿元人民币，同比增长约15.5%。根据赛迪顾问的数据，预计到2025年将达到1571亿元人民币。

MEMS是什么？

MEMS的概念于20世纪50年代被提出，它是利用集成电路制造技术和微加工技术把微结构、微传感器、控制处理电路甚至接口、通信和电源等制造在一块或多块芯片上的微型集成系统，是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，属于微电子技术与机械工程结合的一种工业技术。在日本MEMS被称为微机械（Micro-machines），欧洲更多地将其定义为微系统（Micro-systems）。此外，操作范围在纳米级的MEMS系统被称为纳机电系统（Nano- Electro- Mechanical System, 简称NEMS）。

MEMS内部通常包括微处理器和若干获取外界信息的微型传感器，能够实现对力、声、光、热、电、磁等信号的感知和处理，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。

典型的MEMS系统如图1所示，由传感器、信息处理单元、执行器以及通讯/接口单元等组成。MEMS输入端获取力、声、光等物理信号，通过传感器转换为电信号，经A/D转换为能够被电子系统识别、处理的电信号，由执行器实现对外部介质的操作。

图1 典型的MEMS系统结构

MEMS作为各种消费级和工业级智能硬件的基础技术，其种类和应用范围非常碎片化和多样化。一般而言，不同待测物理信号对应了不同的MEMS传感器和执行器，如表1所示。

表1 不同物理信号对应的传感器及执行器类型

MEMS作为一门综合学科，学科交叉现象极其明显，主要涉及微加工技术、机械学/固体声波理论、热流理论、电子学、生物学等。MEMS器件的特征长度从1mm到1μm乃至更小，其内部结构在微米甚至纳米量级。MEMS传感器具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等优点，正在逐渐取代传统机械传感器。MEMS系统区别于传统的集成电路工艺在于材料、器件结构、加工工艺、实现功能和信号接口等各个方面。常见MEMS产品有压力传感器、磁传感器、麦克风、加速度计、陀螺仪、湿度传感器、静电致动光投影显示器、DNA扩增微系统和催化传感器等。

MEMS技术自20世纪80年代末开始受到世界各国的广泛重视，从初始研究的重点方向看，其主要技术途径有三种：

• 以美国为代表的、以集成电路加工技术为基础的硅基微加工技术；

• 以德国为代表发展起来的LIGA技术；

• 以日本为代表发展的精密加工技术。

各技术具体路径和应用场景如下：

第一种是以美国为代表的利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。传统上往往将硅基MEMS技术归纳为两大类：体硅加工工艺和表面硅加工工艺。前者一般是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；后者则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。该方法能够与传统IC工艺兼容，实现微机械和微电子的系统集成，而且适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。

第二种是以德国为代表的微系统计算，即将深度X射线光刻、电铸成型和塑铸等技术相结合形成深层微结构的LIGA(德文版光刻、电铸和塑铸的缩写，即lithographie, galvanoformung und abformung)工艺。LIGA技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。LIGA技术是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺，可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，并可用来制作具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点的精细结构，其加工深度可以达到几百微米，已用于开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等；

第三种是以日本为代表的利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器等传统机械加工手段的微机械。该技术可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。

MEMS的发展历程

MEMS技术发展至今已历经半个多世纪，它开辟了一个全新的技术领域和新兴产业，为信息技术的出现和人工智能时代的开展奠定了坚实的硬件基础，其带来的深刻的技术变革正在对人类社会产生着新一轮的影响。

十九世纪早期，硅元素的发现为MEMS技术的发展奠定了材料基础。二十世纪中叶，压阻效应的发现，为微型压力传感器的研制奠定了理论基础。二十世纪七十年代以后MEMS相关技术研究快速发展，其发展过程主要经历了四个阶段。

技术诞生期

第一阶段

始于20世纪70年代末80年代初。1987年，美国加州大学伯克利分校提出了分别以多晶硅和二氧化硅为结构层和牺牲层的表面牺牲层工艺技术（或称表面微机械），并在此基础上制备出了具有高谐振频率的微硅静电马达，引起国际学术界的轰动，MEMS进入新纪元。1987年，来自美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校、斯坦福大学等的15名科学家在电气和电子工程师协会( IEEE，即Institute of Electrical and Electronics Engineers)的机器人和自动化委员会组织的相关讨论会后，共同提出了“小机器，大机遇：关于新兴领域 — 微动力学的报告”的国家计划建议书，标志着MEMS技术的正式诞生。这一时期MEMS产品主要为微型压力传感器。多年来，MEMS压力传感器已经发展到电容型、压阻型，压电式、金属应变式、光纤式等多种类型；其中技术最为成熟并且应用最为广泛的是硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。

美国Kulite公司开发了世界上第一款硅基MEMS加速度计。日本着手建立了精密机械加工方面的MEMS研究组织并启动了为期10年，总投资250亿日元的“微型机械技术”大型研究计划。德国卡尔斯鲁厄核研究中心提出一种以高深宽比结构为特色的基于X光射线光刻技术的MEMS技术-LIGA工艺，用于制造微齿轮等卫星机械部件。

产品兴起期

第二阶段

出现于20世纪90年代，主要围绕PC和信息技术的兴起。1992年美国政府将微米级和纳米级MEMS制造技术列为对经济和国防的重要技术。1993年，美国亚德诺半导体（AnalogDevicesInc.，ADI）公司采用MEMS技术成功将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志MEMS技术商品化的开端。

同年，美国TI公司的数字微镜装置研制成功，从此彻底改变投影仪等视频装置的成像方式；该时期出现的深度反应粒子刻蚀（DRIE）技术以及围绕该技术发展的多种新型加工工艺极大地推动了MEMS技术的发展。

汽车电子应用期

第三阶段

出现在二十世纪末二十一世纪初。2001年德国政府计划每年投资7000万美元用于MEMS技术的研发。2002年，ADI的MEMS器件销售额超过1亿美元，其中绝大部分来自汽车领域的安全气囊、导航、汽车报警和车辆动态控制系统等。

消费电子井喷期

第四阶段

出现在2006年以后。MEMS在汽车方面的应用继续推动市场，但其增长的真正驱动力转向手机、游戏系统和体育应用方面的消费品市场；2006年，随着任天堂和索尼PS3等新一代游戏机开始采用MEMS加速度计，MEMS产业终于打破了过去10多年来依赖汽车应用的宿命。

MEMS的快速发展是基于MEMS出现以前已经相当成熟的微电子技术、集成电路技术及其加工工艺。如前所述，MEMS往往会采用常见的机械零件和工具所对应微观模拟元件，例如它们可能包含通道、孔、悬臂、膜、腔以及其他结构。然而，MEMS器件加工技术并非采用传统的机械式，相反，它们采用类似于集成电路批处理式的微制造技术；批量制造能显著降低大规模生产的成本。举例来说，如果单个MEMS传感器芯片面积为5mmx5mm，则一个8英寸(直径20厘米)硅片(wafer)可切割出约1000个MEMS传感器芯片，分摊到每个芯片的成本则可大幅度降低。因此，提高MEMS市场竞争力的手段，除了我们通常理解的要提高产品本身的性能和可靠性之外，还需要将大量的研发精力集中于通过减小MEMS尺寸以在硅片上切割出更多芯片，减少工艺步骤总数等等。

现如今MEMS研究进入高速发展时期，在国民经济和军事系统方面都有着广泛的应用前景，在声学、光学、汽车工业、航空航天、生物和能源等各领域获得了广泛推广和应用。

MEMS在二十一世纪将会有更大的发展。我们应该正视下一世纪在高技术领域中的激烈竞争，争取在不远的将来在国际上占有一席之地，迎接二十一世纪技术与产业革命的挑战。

本文摘自

《一砂一世界》

一本书读懂MEMS产业的现状与未来

作者：冯锦锋 马进

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排版 | 编辑部

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