1.1 微系统技术概述

微系统是以微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、微电子、光电子为基础，结合体系架构和算法，运用微纳系统工程方法，将传感、通信、处理、执行、微能源等功能单元，在微纳尺度上采用异构、异质等方法集成在一起的微型系统。微系统的概念通常是指一个较为全面的功能集成体，但是由于制造的限制，目前多数微系统只包括微机械结构、微传感器、微执行器中的一种或几种，而没有形成一个功能完善的系统。在这种情况下，人们更多地用MEMS一词来代替微系统，即利用集成电路制造技术和微加工技术把微机械结构、微传感器、微执行器、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。微系统的出现使芯片远远超越了以处理电信号为目的的集成电路，其功能拓展到机、光、热、电、化学、生物等领域。广义地讲，集成电路是电子线路系统的微型化，而其他领域的微型化都可以划分在微系统的范畴。微系统具有微型化、集成化、智能化、成本低、性能高、可以大批量生产等优点，已经广泛应用于仪器测量、无线通信、能源环境、生物医学、军事国防、航空航天、汽车电子以及消费电子等多个领域，已经并将继续对人类的科学技术、工业、军事国防和经济领域产生深远的影响。

MEMS这一名词来源于1989年美国国家自然科学基金会（NSF）主办的微机械加工技术讨论会的总结报告“Microelectron Technology Applied to Electrical Mechanical System”。本次会议中，微机械加工技术（Micromachining Technology）被NSF和美国国防部先进技术署（DARPA）确定为美国急需发展的新技术，从此，作为Micro-Electro-Mechanical-System缩写词的MEMS被广为流传。目前，MEMS一词已经被世界各国广泛接受并大量出现在各种文献和报道中，事实上，MEMS已经不仅仅局限于系统的概念，根据不同的场合，其可以指微系统这种“产品”，也可以指设计这种产品的方法学或制造它的技术手段。

1.1.1 MEMS技术发展史

MEMS 是由集成电路技术发展而来的，它经过了大约 20 年的萌芽阶段，即从20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，MEMS技术主要涉及一些有关的零散研究。例如，开发了将硅各向异性腐蚀技术用在平面硅衬底上加工三维结构的方法；一些研究机构和工业实验室中的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化等。虽然在这个阶段这些研究领域的名称并没有统一归类，但是事实上体硅加工技术和表面加工技术在整体上已经迅速成熟起来。

在MEMS的研发时期，一些具有重要意义的研究成果逐渐涌现出来，如谐振栅晶体管的发明，其栅电极不是固定在栅氧化层上的，而是相对硅衬底可动的。在此期间，还发明了薄膜型硅微加工压力传感器，并采用体硅微加工技术得到了非常薄且嵌入有压阻传感器的薄膜。惠普公司在1978年首次发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机，使得喷墨打印技术成为可能。采用硅微机械加工技术加工出尺寸非常小的喷嘴阵列，而且这些喷嘴阵列可以排列得非常密集，这对于实现高分辨率和高对比度打印非常重要。

到了20世纪80年代后期，研究者的研究重点主要集中在硅的应用—单晶硅衬底或者多晶硅薄膜，其中单晶硅用作集成电路的衬底，多晶硅用于制作晶体管的栅电极。采用单晶硅衬底和多晶硅薄膜可以制作诸如悬臂梁和薄膜等三维的微机械结构。

20世纪90年代前期，全世界的MEMS研究进入了一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。各国政府和私人基金机构都设立了基金支持MEMS研究，而且一些公司的先前科研投入开始有了产出。比较成功的例子有，美国模拟器件公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国德州仪器公司生产的用于投影显示的数字光处理芯片。

20世纪90年代后期，互联网和个人无线通信技术迅速发展，期间产生了通信带宽瓶颈，为了解决该问题，光 MEMS 大规模商业化研究开展得如火如荼，其中自由空间的光互连、动态路由器是当时许多研究者和公司关注的焦点。全光互连是一种新型光纤互连和切换技术，光信号可以由某一光纤直接接入到作为信号接收端的另一光纤，不涉及电信号，也避免了信号转换环节，有望解决传统的光-电-光传输方式速度太慢的问题。除此之外，生物 MEMS 的发展也紧随其后，主要包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的研究和应用。其中，微加工神经探针在神经生物学中的应用就是一个很好的例子，神经产生的电脉冲，可以在三维神经组织的神经轴突中传输；另一个极好的例子是药物注射针头阵列，这种针头的尺寸，尤其是针头的高度，可以精确控制，药物注射可以在没有神经末梢的皮下层完成，这样病人就不会感觉到疼痛。MEMS技术还使得微流控系统和集成生物化学处理器成为可能。这些微流控系统及集成生物化学处理器可以用作护理医疗诊断和分布式环境监测器件的自动化和小型化传感器。MEMS技术也为射频通信芯片等集成电路提供了新元件，如微加工器件、可变电容器、微集成电感和螺线管线圈、谐振器、滤波器及天线等。

21世纪，MEMS的研究领域继续不断扩展，逐渐形成纳米器件、生物医学、光学、能源、海量数据存储、信息等新方向，并从单一的MEMS器件和功能向着系统功能集成的方向发展，与之相关的纳米科学、生化分析、微流体理论等迅速发展。

总结微系统技术在过去近50年的发展可以发现，制造技术的发展是微系统发展的基础，每一次制造技术的进步都促进了新器件的诞生和性能的提高；同时，提高器件性能和开发新器件又成为推动制造技术不断发展的重要因素。

1.1.2 MEMS的典型特点

如图1-1所示，MEMS的设计、制造、应用等涉及自然科学及工程技术的多个领域，如电子、机械、物理、化学、生物医学、材料、力学、能源等，是多个学科交叉的前沿性研究领域。MEMS的应用领域则更加广泛，几乎所有的学科领域都可以应用和发展自己的微系统。由于 MEMS 的多样性和复杂性，一般来说，MEMS具有以下共同特点。

（1）结构尺寸微小。MEMS的尺寸一般在微米到毫米量级，如ADXL202加速度传感器和微发动机的结构尺寸在一百至几百微米，而单分子操作器件的局部尺寸仅在微米甚至纳米量级。但是如此一来，器件的相对尺寸误差和间隙会比较大。

（2）微电子集成。MEMS的特点之一是可以将机械传感器、执行器与处理电路及控制电路同时集成在同一块芯片上。这种集成方式称为单片集成，其促使了多种MEMS产品商业化，如加速度传感器、数字光处理器以及喷墨头。对于汽车加速度传感器而言，与纯机械加速度传感器相比，单片集成使得MEMS传感器具有重要的商业化优点，通过减小信号传输的距离和噪声，系统集成提高了信号质量。

（3）基于微加工技术制造。MEMS起源于IC制造技术，大量利用IC制造方法，力求与IC制造技术兼容。但是，由于MEMS的多样性，其制造过程引入了多种方法。这些新方法的不断引入，使MEMS制造与IC制造的差别越来越大。

（4）高精度批量制造。MEMS加工技术可以高精度地加工二维、三维微结构，而采用传统的机械加工技术不能重复地、高效率地或者低成本地加工这些微结构。结合光刻技术，MEMS技术可以加工独特的三维结构，如倒金字塔状的空腔、高深宽比的沟道、穿透衬底的孔、悬臂梁和薄膜。采用传统的机械加工和制造技术制造这些结构难度大、效率低；现代光刻系统和光刻技术可以很好地定义结构，具有良好的整片工艺的一致性，且其批量制造的重复性也非常好。

（5）多能量域系统。能量与信息的交换和控制是MEMS的主要功能。由于集成了传感器、微结构、微执行器和信息处理电路，MEMS具有了感知和控制外部机构的能力，能够实现微观尺度下电、机械、热、磁、光、生化等领域的测量和控制。例如，打印机喷头将电能转换为机械能等。