MEMS全稱Micro Electromechanical System（微機電系統），是一種通常在硅晶圓上以IC工藝制備的微機電系統，微機械結構的制備工藝包括光刻、離子束刻蝕、化學腐蝕、晶片鍵合等，同時在機械結構上制備了電極，以便通過電子技術進行控制。

生活中有哪些MEMS器件？

第一個可轉動的MEMS馬達于1988年誕生于加州大學伯克利分校，如圖1所示；之后于1989年，美國桑迪亞國家實驗室研制了第一個橫向梳齒驅動器，微機械結構可以在垂直于表面的方向移動。

圖.1 加州大學伯克利分校研制的第一個可轉動的MEMS馬達

圖.2 美國桑迪亞國家實驗室研制的第一個橫向梳齒驅動器

經過30年的發展，MEMS器件已經滲透于我們的生活之中。轉屏是智能手機中的一項基本功能，如圖.3所示，這項功能是通過MEMS陀螺儀來實現的。圖.4展示了傳統機械陀螺儀與MEMS陀螺儀的對比，后者比前者小得多，因而得以在智能手機和平板電腦中廣泛應用。如圖.5所示，出于安全考慮，氣囊是汽車中的必備裝備，它們會在發生撞車時自動充氣膨脹，保護乘客的安全。安全氣囊對撞車事件的迅速檢測得益于其中的MEMS器件，圖.6展示了MEMS加速度計的芯片結構。用于傳感檢測的MEMS芯片和用于控制的IC芯片通常混合集成在一個殼體里面。此外，MEMS技術在生活中的其他應用包括MEMS麥克風、MEMS投影儀、MEMS壓力傳感器，等等。

圖.3 MEMS陀螺儀在智能手機中的應用—轉屏功能

圖.4 傳統的機械陀螺儀（左）與MEMS陀螺儀（右)

圖.5 汽車中的安全氣囊（內有MEMS器件）

圖.6 MEMS加速度計的芯片（左）和封裝形式（右）

MEMS技術的特有工藝

MEMS器件與IC芯片的制備工藝非常相似，但MEMS器件有兩個重要特征：高深寬比的微結構和懸臂結構，因此需要一些特有的工藝來制備。

第一項特有工藝是用于制備高深寬比結構的LIGA技術，LIGA是X射線光刻技術的德語簡稱，于1982年由德國卡爾斯魯厄核研究中心開發出來。LIGA技術的工藝步驟如圖4.7所示，包括對基片上光刻膠的X射線光刻、光刻膠顯影、在光刻膠結構上的金屬電鑄、從光刻膠結構中剝模、以結構材料充模（圖4.7中的結構材料是聚合物）和脫模，從而制備出最終的微機械結構[7]。

圖.7 LIGA技術的工藝步驟

第二項特有工藝是制備懸臂結構表面微加工技術，該技術于1980年代由加州大學伯克利分校的研究人員開發出來。表面微加工技術的工藝步驟如圖.8所示，第一步是對帶有犧牲層的基片涂覆光刻膠并進行光刻，然后依次對光刻膠和犧牲層進行顯影操作。第三步是沉積結構層的材料，然后在第四步，通過光刻將微結構的圖形投影于結構層之上的光刻膠。第五步通過刻蝕工藝制備出結構層，然后通過化學腐蝕工藝釋放結構層之下的犧牲層，得到最終的懸臂式微結構。

圖.8 表面微加工技術的工藝步驟

MEMS器件的驅動機制

MEMS是一種微電機系統，在制備微機械結構之后，需要以電子技術進行驅動。典型的驅動機制如圖.9所示，包括靜電引力、電磁力、電致伸縮和熱電偶。

圖.9 MEMS器件的驅動機制

在圖9（a）中，懸臂梁底部和基底上部均制備了電極，當兩個電極加載偏壓時，產生靜電吸引，懸臂梁變形，從而實現電信號對機械動作的控制。在圖9（b）中，懸臂梁底部和基底上部均制備了電磁線圈，當線圈中通電流時，產生電磁力使懸臂梁發生形變。電磁力可以是引力或者斥力，取決于所通電流的方向。在9（c）中，懸臂梁以磁致伸縮材料制備，當懸臂梁的兩端加載電壓時會產生伸縮效應。在9（d）中，懸臂梁為雙層結構，兩層以不同熱膨脹系數的金屬材料制備。當懸臂梁通電流時，因熱電偶效應，將會彎向熱膨脹系數較小的材料一側。

在MEMS器件的所有驅動機制中，靜電引力結構因制備簡單、易于控制和低功耗，得到最廣泛的應用。