微機電系統（Microelectromechanical Systems，縮寫為 MEMS）是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作范圍在微米范圍內。微機電系統在日本被稱作微機械（micromachines），在歐洲被稱作微系統技術（Micro Systems Technology，MST）。

微機電設備的尺寸通常在20微米到一毫米之間，它們內部通常包含一個微處理器和若干獲取外界信息的微型傳感器。微機電系統的加工技術由半導體加工技術改造而來，使其可以應用到實際當中，而后者一般用來制造電子設備。微機電系統有多種原材料和制造技術，根據應用、市場等性能需求的不同進行選擇。

一、MEMS的材料

1、硅

硅是用來制造集成電路的主要原材料。由于在電子工業中已經有許多實用硅制造極小的結構的經驗，硅也是微機電系統非常常用的原材料。硅的物質特性也有一定的優點。單晶體的硅遵守胡克定律，幾乎沒有彈性滯后的現象，因此幾乎不耗能，其運動特性非常可靠。此外硅不易折斷，因此非常可靠，其使用周期可以達到上兆次。

一般微機電系統的生產方式是在基質上堆積物質層，然后使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結構。

2、高分子材料

雖然電子工業對硅加工的經驗是非常豐富和寶貴的，并提供了很大的經濟性，但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜，而且其性能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術也可以使用高分子材料制造微機電系統，這樣的系統尤其有利于微液體應用，比如可攜測血設備等。

3、金屬

金屬也可以用來制造微機電系統。雖然比起硅來金屬缺乏其良好的機械特性，但是在金屬的適用范圍內它非常可靠。

二、MEMS加工技術

①、傳統機械加工方法

傳統機械加工方法指利用大機器制造小機器 ,再利用小機器制造微機器 。可以用于加工一些在特殊場合應用的微機械裝置 ,例如微型機械手、 微型工作臺等。

傳統機械加工方法以日本為代表 ,日本研究 MEMS的重點是超精密機械加工 ,因此他們更多的是將傳統機械加工進行微型化 。

此加工方法可以分為兩大類：超精密機械加工及特種微細加工。超精密機械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象材料進行切削加工，所得的三維結構尺寸可在0.01mm以下。此技術包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。

特種微細加工技術是通過加工能量的直接作用，實現小至逐個分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機械加工和特種微細加工技術的加工精度已達微米、亞微米級，可以批量制作模數僅為0.02左右的齒輪等微機械元件，以及其它加工方法無法制造的復雜微結構器件。

②、硅基MEMS技術

以美國為代表的硅基MEMS技術是利用化學腐蝕或集成電路工藝技術對硅材料進行加工，形成硅基MEMS器件。這種方法可與傳統的IC工藝兼容，并適合廉價批量生產，已成為目前的硅基MEMS技術主流。

當前硅基微加工技術可分為體微加工技術、表面微加工技術。

體微加工技術：

體微加工技術是對硅的襯底進行加工的技術。一般 采用各向異性化學腐蝕 ,利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點而進行腐蝕，來制作不同的微機械結 構或微機械零件，其主要特點是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關。

另一種常用技術為電化學腐蝕 , 現已發展為電化學自停止腐蝕 ,它主要用于硅的腐 蝕以制備薄面均勻的硅膜。利用此技術可以制造出MEMS的精密三維結構。

體微加工技術主要通過 對硅的深腐蝕和硅片的整體鍵合來實現 ,能夠將幾 何尺寸控制在微米級。由于各向異性化學腐蝕可以 對大硅片進行 ,使得 MEMS 器件可以高精度地批量 生產 ,同時又消除了研磨加工所帶來的殘余機械應 力 ,提高了 MEMS 器件的穩定性和成品率。

表面微加工技術：

表面微加工技術是在硅片正面上形成薄膜并按一定 要求對薄膜進行加工形成微結構的技術 ,全部加工僅涉及到硅片正面的薄膜。是在20世紀80年代由美國加州大學Berkeley分校開發出來的，它以多晶硅為結構層，二氧化硅為犧牲層。表面微加工技術與集成電路技術最為相似，其主要特點是在“薄膜+淀積”的基礎上，利用光刻、腐蝕等IC常用工藝制備微機械結構，最終利用選擇腐蝕技術釋放結構單元，獲得可動的二維或三維結構。

用這種技術可以淀積二 氧化硅膜、氮化硅膜和多晶硅膜 ;用蒸發鍍膜和濺射 鍍膜可以制備鋁、鎢、鈦、鎳等金屬膜 ;薄膜的加工一 般采用光刻技術 ,如紫外線光刻、X 射線光刻、電子 束光刻和離子束光刻。通過光刻將設計好的微機械 結構圖轉移到硅片上 ,再用等離子體腐蝕、反應離子 腐蝕等工藝來腐蝕多晶硅膜、氧化硅膜以及各種金 屬膜 ,以形成微機械結構。

這一技術避免了體微加工所要求的雙面對準、背面腐蝕等問題 ,與集成電路 的工藝兼容，且工藝成熟，可以在單個直徑為幾十毫米的單晶硅基片上批量生成數百個MEMS裝置。

③、深層刻蝕技術

深層刻蝕技術指深層反應離子向硅芯片內部刻蝕，刻蝕到芯片內部的一個犧牲層，并在刻蝕完成后被腐蝕掉，這樣本來埋在芯片內部的結構就可以自由運動。

深層刻蝕技術屬于微機械加工方法 LIGA 的一種 ,LIGA 方 法是指采用同步 X 射線深層光刻、微電鑄制模和注 塑復制等主要工藝步驟組成的一種綜合性微機械加 工技術。

利用LIGA技術可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細結構，其加工深度可達幾百微米。

LIGA技術與其它立體微加工技術相比有以下特點：

可制作高度達數百至1000μm，深寬比可大于200，側壁平行偏離在亞微米范圍內的三維立體微結構；

對微結構的橫向形狀沒有限制，橫向尺寸可以小到0.5μm，精度可達0.1μm；

用材廣泛，金屬、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作為LIGA的加工對象；

與微電鑄、鑄塑巧妙結合可實現大批量復制生產，成本低。

LIGA的主要工藝步驟如下：在經過X光掩模制版和X光深度光刻后，進行微電鑄，制造出微復制模具，并用它來進行微復制工藝和二次微電鑄，再利用微鑄塑技術進行微器件的大批量生產。

由于LIGA所要求的同步X射線源比較昂貴，所以在LIGA的基礎上產生了準LIGA技術，它是用紫外光源代替同步X射線源，雖然不能達到LIGA加工的工藝性能，但也能滿足微細加工中的許多要求。而由上海交通大學和北京大學聯合開發、具有獨立知識產權的DEM技術，也是LIGA技術中的一種。該技術采用感應耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進行常規的微電鑄和微復制工藝，該技術因不需要昂貴的同步輻射X光源和特制的X光掩摸板而具有廣泛的應用前景。