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微電子機械系統MEMS

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微電子機械系統(MEMS)

譯自: MEMS網站 譯者:yanghuanyu 未經許可請勿轉載
什么是微電子機械系統(MEMS)?
  微電子機械系統(Micro-Electro-Mechanical Systems),是指運用微制造技術在一塊普通的硅片基體上制造出,集機械零件、傳感器執行元件及電子元件于一體的系統。機械及機電的裝置制成方式為:應用集成電路制造工藝(如:cmos,bipolar,bicoms工藝)制做電子元件,同時應用相應的微細加工技術對硅晶片進行選擇性刻蝕或沉積出新的結構層的方法制造出械零件。微電子機械系統(MEMS)應用微細加工技術集成硅基微電子元件,它必定給幾乎所有產品帶來一場革命,它也使得 “片式系統(systems-on-a-chip)”變得現實可行。通過把微電子元件的計算能力和微傳感器的感覺能力及微執行元件的控制能力集于一體,微電子機械系統具備了真正的發展細小產品的能力。微電子機械系統無論是在其被期望運用的領域,還是在設備設計及制造方面,都體現出極大的差異也富有成果。由于微電子機械技術能將靈敏的感覺和控制功能與微電子元件集成為一體,它極大的拓寬了設計及運用空間。

  系統中,集成電路(IC)好比是“大腦”,而微電子機械技術則賦予了它眼睛和手臂,讓整個系統能夠感覺和調控周圍的環境。在最基本的系統構成中,傳感器從環境中感覺到機械的、熱的、生物的、化學的、光學及電磁的變化;電子元件對傳感器獲得的信息進行分析后作出判斷,并指揮執行元件作出相應的,或移動或變換姿態或排序或跳躍或過濾的反應,以此來調控周圍環境,達到預期的結果或目的。由于微電子機械系統采用了集成電路批量制造的技術,所以它可以用相對較低的成本把具有超前功能的可靠的復雜的系統置于一個小小的硅片上。微電子機械系統帶給科學和工程新的發現,例如用于DNA放大鑒定的聚合酶鏈式反應微系統,微機械掃描隧道顯微鏡(SIMS),檢查危險化學品和生物制劑的生物芯片,以及用于high-throughput藥物監視和挑選的系統。在工業領域,微電子機械設備在巨大的、以每年50%的驚人速度遞增的市場中扮演著不同的產品角色。作為一種突破性的技術,一種能對在目前如電子學與生物學般顯得毫不相關的領域進行非平行協同的技術,微電子機械系統將會運用于更多的新的超越目前我們所認知的范疇。
微電子機械系統工藝

集成電路制作工藝 微細加工工藝
氧化 批量微加工
發散 表面微加工
低壓化學氣相沉積 晶圓邦定
曝光 Deep Silicon RIE
Epitaxy 立體印刷
濺鍍 微模成型

  盡管微電子機械設備極其微?。ɡ缋梦㈦娮訖C械技術已能制造尺寸小于頭發絲直徑的電動機)微電子機械技術卻作用巨大。再者,微電子機械系統的意義不僅僅只是制造以硅為材料的物體——縱然,硅是一種擁有優異性能的材料,是在制作高性能機械時最具誘惑力的選擇(硅的單位質量強度比高于很多工程材料,因此可以滿足較大范圍的機械設備的要求)。換句話說,微電子機械系統是一項制造技術,一種制造復雜的機電系統的新的方法,它具有類似集成電路的大批量制造工藝,并能把機電元件與電子元件整合為一體。
這項新的制造技術有著許多鮮明的優點:首先,微電子機械系統是一項差異性極大的技術,它帶給各種商業及軍事產品極大的潛在的沖擊。微電子機械系統已經運用于從居家使用的血壓監控器到汽車懸掛系統的各類產品。微電子機械技術的實質以及其廣闊的應用范圍,使其比集成電路制作技術更具沖擊力。其次,微電子機械技術使復雜的機械系統與集成電路間的界限變得模糊。一直以來,傳感器和執行元件是大型電控系統中成本最昂貴,可靠性最差的部分。相對來說,微電子機械技術保障了我們可以大批量制造如此復雜的機電系統,并使傳感器和執行元件的成本與可靠性和集成電路保持在同一水平。有趣的是,雖然我們對微電子機械設備和系統的運行要求高于大尺寸零件和系統,但卻希望它有一個相對低廉的價格。
  我們可以把微電子機械加速度檢測表——其在汽車防撞氣囊安全系統中迅速代替了傳統的加速度檢測表——當作近來體現微電子機械技術優越性的例子。傳統方法使用一些由分離元件制成的單個的加速度檢測表,把他們和一些獨立的電子元件固定在汽車的前部,該系統成本超過50美元。而微電子機械技術卻可以把加速度檢測表和電子元件集成到一個硅片上,并將其成本控制在5-10美元以內。這些采用微電子機械技術制成的加速度檢測表變得更小,更輕,功能更強大,更可靠。與傳統大尺寸加速度檢測表相比,其售價更便宜。采用微電子機械技術制成的加速度檢測表可望在隨后的幾年里完全取代傳統的裝置。微電子機械加速度檢測表價格的大幅下調,使得汽車制造商們可以考慮在汽車中設置防側撞氣囊安全系統。在以后幾年里,隨著微電子機械加速度檢測表的技術不斷改進,系統感應器可以檢測到乘客的體形和體重,并計算出系統最佳反應方式,以減少在發生事故時因氣囊放置原因而導致的不必要的傷害。

微電子機械技術的機遇
  隨著被大量的用于各類實踐,微電子機械技術帶給包括太空科技及生物技術在內的所有事物巨大的沖擊,其注定會成為二十一世紀制造技術的代表。目前正處于實驗室研發階段的微電子機械系統將釋放出新技術的潛能,給社會帶來巨大的經濟增長和無數的商業機會,大量的新產品和數以千計的高薪工作機會。作為一種突破性的技術,一種能對在目前如微電子學與生物學般毫不相關的領域進行非平行協同的技術,微電子機械系統被看作如其父輩集成電路技術一樣將會有一個商業及軍事的市場增長。
半導體工業最大的貿易組織——半導體設備及材料國際(SEMI),最近所做的市場調查指出,微電子機械設備工業將從今年19.3億美元的貿易額水平快速遞增至2000年的接近100億美元的水平(如下圖)。其他的一些市場調查報告甚至預測了一個更高的增長率。然而這些關于微電子機械設備銷售的市場數據并沒有反映事情的全部。90年代末使用微電子機械系統制造的新的或改進后的工業系統和制藥系統的年銷售額已達1000億美元。而以上這些調查報告明顯的僅針對于微電子機械系統在壓力傳感器,慣性儀,流體控制,光學開關,分析工具和海量數據存儲等范圍內的應用。因為微電子機械系統是一個新生的綜合性的技術,許多新的應用將會出現,將會超出我們目前所認知的市場范圍。


  雖然微電子機械系統很大程度上借重于集成電路(IC)技術,希望微電子機械系統的主要應用者不只限于那些傳統的電子公司和計算機公司。在受益于微電子機械系統的公司中大多數公司將會是系統集成商,生產汽車、科學分析儀、消費類產品、醫療設備、空間導航系統及類似的商業產品和軍事產品的制造商們。

目前對微電子機械技術的研發投入
  用于微電子機械系統研發的聯邦政府基金伴隨著全美工業在微電子機械系統領域研發投入的的增加而大幅增加。在八十年代中后期,聯邦政府支持微電子機械系統研發的資金主要來源于國家科學基金(NSF),這一資金到1991年已達2—3百萬美元。到1995年,聯邦政府支持微電子機械系統研發的投入增至三千五佰萬美元,其中大約三千萬美元來自美國國防部(DOD),其主要出資者為國防部先進研發項目代理(Defense Advanced Research Project Agency)的電子技術辦公室(ETO)。
  除政府基金外,美國工業對微電子機械系統的研發和產品開發的投入,目前估計每年已超過一億美元。這些投入大多針對微電子機械系統的直接應用,用相應的微電子機械設備代替傳統工藝(如:數據存儲、流量控制、光學開關等)以降低成本,增加功能,提高可靠性
不獨只美國認識到微電子機械系統具有潛在的沖擊力;日本和歐洲政府已經把他們對微電子機械系統研發的總的投入增加到每年七千萬到一億美元的水平。日本政府在1991年開始,以微型機械立項,主要通過其國際貿易及工業部對微電子機械系統進行投入。日本國際貿易及工業部在微電子機械系統的研發上獨樹一幟,不像美國和歐洲政府把微電子機械系統的研發基礎建立在微電子技術之上,而是將其研發重點集中于縮小傳統的機電零件和系統。歐洲對微電子機械系統研發投資的國家主要是德國、瑞士、荷蘭和法國,他們通過歐共體進行合作以減少重復投資并提倡協同攻關,他們已在下列技術方面獲得了重大發展:deep reactive-ion etching for silicon、bonding aligners和平板印刷技術。歐共體和日本工業每年對微電子機械系統的研發投入估計已超過兩億美元,這些投入還在不斷增長。
與集成電路工業在研發上的開支相比,微電子機械系統的研發投入的規模顯得很小。當然,微電子機械系統工業基礎也很小,還不足以維持較大的研發費用。從其一開始,微電子機械系統就可以借重于集成電路技術的發展。然而,隨著自身的進步和集成電路制造舞臺的變化,這種借鑒已顯得不那么重要了。

目前面臨的挑戰
  公司無論大小,其接觸微電子機械制造系統的機會都應增加。目前,大多數希望開發微電子機械系統潛能的公司在購買原型制造和生產的設備時,可供選擇的設備極少??梢钥隙ǖ氖?,微電子機械系統的最大受益者將主要是那些并不擁有微制造技術開發能力或核心技術的公司,接觸微電子機械系統的通道是他們成功運用該技術的關鍵。因此,建立一種機制用以保障這些公司和原型制作與生產的微電子機械系統設備之間的接觸通道是基本的,必要的。
  迫切需要用于微電子機械系統設計的先進的模擬工具和模型建立工具。目前,大多數微電子機械設備都是用功能差的不能準確預測執行情況的分析工具來建立的。因此,微電子機械系統的設計通常采用試驗排出錯誤的方法進行,往往需要多次反復的試驗最后才能滿足一個特定設備的運行條件。對開發商業產品來說,這種瞎撞的設計方法、長的設計周期以及微電子機械系統原型機的高昂費用導致了一種效率極為低下的、不切實際的情況。只有運用合適的開發工具,并配以連通高性能工作站以及本地的和遠程的超級計算機的計算機網絡才能從根本上改變這種局面。
  微電子機械設備及系統的包裝目前處于極原始的狀態,極待提高。與集成電路(IC)相比,微電子機械系統的包裝面臨獨特的挑戰,因為微電子機械裝置形狀差異大,并且部分裝置還要求放置于特定的環境中。當前,幾乎每開發一套微電子機械系統就需為其設計一個專用的包裝。因此,許多公司發現在整個微電子機械產品的開發中包裝成為一個費時費錢的工作。但與微電子機械產品自身的零件數量相比,包裝所需的模具及工具實在是微不足道。另外,容許設計者從已有的標準包裝中挑選出新的微電子機械設備的包裝也不失為較好的辦法
微電子機械設備的設計工作必須從其復雜的制作過程中分離出來。目前,要完成一個成功的設計就要求設計者對微細加工有很高的認識水平,因為即使是最普通的微電子機械設備都需要付出努力去制訂一套合理的加工工藝。與制造分開的設計工具和方法,可以減少設計者為成功實現微電子機械設備所需的時間與精力。這也使得僅經過一次或極少次數的反復就可完成更多的可加工的設計,變得稀松平常。由于具有廣泛的細微加工知識不再是開始設計的先決條件,使更多的設計者能夠加入到設計行列中來,這也使得設計更具有創造性和革新性。再之,與制造分離的設計系統能夠在不增加開發時間和費用的情況下提高設計的整和水平。為變得更實用,該系統應能讓設計者在設計過程中就能了解其設計的加工工藝性,也能讓制造專家為設計者提供必要的支持功能。
  微電子機械技術還需要品質控制標準。通常情況下,無論是學術機構或是商業系統制造的微電子機械設備的質量都較差。部分原因是因為這項技術太新以至于制造者仍不知道怎樣去規范質量怎樣去做檢測。
  需要增加在國立大學受過良好培訓的工程師和專家的數量。目前畢業于國立大學微電子機械技術人員的數量遠不能滿足支持微電子機械技術工業發展的需要。培養微電子機械工程師和專家的傳統方法是在一些研究學院開展研究生教育,由一個經驗豐富的微電子機械技術人員帶領學生去設計、制做和測試一些新的、獨特的、有前途的微電子機械設備。這樣的方法培養一個研究生的成本高,周期長。需要新的方法來增加微電子機械工程師和專家的數量,同時又能降低成本提高教育質量。

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