MEMS基础研究的探讨

（1）MEMS理论基础

MEMS理论基础研究是围绕着微尺度和学科渗透这些核心问题展开的。当构件或系统的尺寸缩小到一定程度时，许多物理现象与宏观世界相比，就有很大的差别，甚至会发生质的变化。在微小尺度领域，与物体基本尺寸成高次方（三次方）的惯性力、电磁力会随着基本尺度的减小而快速下降，与基本尺寸成低次方的黏着力、弹性力、表面张力、静电力等减小的速度会慢得多。在许多情况下，体积力可以忽略，表面力成为对系统性能起主导影响作用的因素；构件尺度缩小使构件材料的固有缺陷减小，弹性模量、屈服极限等力学性能明显提高，构件相对运动时，表面摩擦力、润滑膜粘滞力表现突出；在MEMS中，所有的几何变形小（分子级），以至于结构内应力与应变之间的线性关系（虎克定律）已不适用；MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由表面之间的分子间相互作用力引起的，而不再是由载荷压力引起，牛顿摩擦定律已不适用于MEMS系统。因此，需要重新进一步对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学、微结构学、微电子学和微生物学等进行研究。

（2）MEMS技术基础

1）MEMS材料

许多MEMS是用跟微电子相同的材料和工艺制作的，但MEMS的特点之一就是利用许多其他的材料和工艺。主要包括：结构材料，如硅、碳化硅、氮化硅、硅锗合金等；功能材料，如压电材料（铅锆钛合金和石英晶体等）、导电材料（金、铝、铜）、绝缘材料（二氧化硅）、超磁致材料、光敏材料等；智能材料，如形状记忆合金等。针对具体地应用场合，寻找适于该场合使用并能用现有微细加工工艺加工且满足特定性能的优良材料是目前微机械材料研究的主要内容。例如结构材料中最为广泛应用的是单硅晶体，但碳化硅能承受更高的温度，比硅的性能更好，而合成金刚石作为结构材料也引起人们强烈的兴趣。

2）MEMS加工工艺

目前，微机电系统工艺技术研究中有三大支撑技术：硅微机械加工技术、LIGA和特种超精密微机械加工技术。

硅微机械加工技术源于集成电路加工技术，它将传统的集成电路加工技术由二维的平面加工技术发展成三维的立体加工技术，其主要内容有：

①硅微机械加工技术，该加工技术主要包括硅的湿法和干法腐蚀。

②表面微机械加工，主要包括结构层和牺牲层的制备与腐蚀。

③键合技术，主要包括静电键合和热键合。(www.xing528.com)

这些技术在实际应用过程中还要借助于集成电路工艺，如光刻、扩散、离子注入、外延和淀积等技术。硅微机械加工技术的特点是可以充分利用集成电路工艺中大量成熟的工艺技术，缺点是加工出的微结构深度比较小。

LIGA技术是应用X射线进行曝光并辅以电铸成型的一种崭新的微机械加工方法。其特点是可以加工出深度比较大的微结构，并且使用的材料非常广泛，既可以采用镍、铜、金、铁镍合金等金属材料又可以使用陶瓷、塑料等非金属材料；缺点是需要专用的X射线同步辐射光源，加工成本昂贵，与微电子工艺的兼容性差。

特种超精密微机械加工技术包括能束（电子束、离子束、激光束）加工技术、电化学加工技术、电火花加工技术、超声加工技术、光成型（三维快速成型）加工技术、扫描隧道显微镜（STM）加工技术以及各种复合加工技术。其特点是可以加工复杂的三维结构，缺点是加工重复性和加工尺寸的可控制性有待提高。

3）MEMS组装技术

从元器件到产品要经过微电子线路、微电子器件、MEMS、完整系统等四个层次的组装。微组装系统有基于扫描电子显微镜（SEM）和基于光学显微镜两种类型，其中多自由度操作器，精密微位移工作台及吸附、装卡工具是微系统组装系统研制中的关键技术。

4）MEMS封装技术

与集成电路一样，MEMS需要环境防护、电信号引出端、机械支撑和热量通路。但MEMS封装更复杂，还有许多与集成电路不同，有时需要与周围环境隔离，有时则需要与环境接触，以便对指定的理化参数施加影响或测量；有的MEMS封装要求在特殊的环境下进行，如加速度计；有一些封装则需要在真空条件下进行，避免振动结构的空气阻尼或热传导作用。目前有多种形式的MEMS封装可满足MEMS商品化的需求。其中较有代表性的是采用倒装焊技术的MEMS封装、上下球栅阵列封装技术和多芯片模块封装技术等。

5）MEMS测试技术

MEMS装置的测试从本质上比集成电路的测试更复杂，因为它集合了电子和机械两类性质，即带有运动构件的芯片的电子性质和微机械性质都必须测试。只有有限的几种测试可以在硅片水平进行，通常还需要封装后再对整个装置进行测试。对集成电路的测试来说，测试只包含电子的输入/输出以及温度、射线和其他效应。对MEMS来说，输入可以是振动或其他加速度，也可以是特殊的压力条件、湿度、化学蒸气淀积等许多环境参数，导致测试不同装置的输入条件非常复杂。目前，具有微米及亚微米测试精度的几何量级表面形貌测量技术已成熟，如具有0.01μm分辨率的HP5582双频激光干涉系统。现今至未来一段时间内，微观测试技术的重要研究内容是材料的微观力学性能测试，微结构的力学性能测试、微系统或微单元的运动和力学性能参数测试等。