新世纪MEMS技术的创新发展

新世纪MEMS技术的创新发展2012-11-30摘要MEMS技术是半导体电子学的创新，利用半导体的平面工艺从两维加工向三维加工发展，创新了微电子机械系统新的领域。上世纪九十年代MEMS处于科研创新时代，新世纪后MEMS全面进入了产品时代，处于高速增长期，2011年增长19%，市场规模突破100亿美元。本文综述并分析了与信息产业相关的MEMS主流产品(加速度计、陀螺仪、微麦克风、DMD、喷墨头、RFMEMS)的技术发展现状和趋势，同时预测了MEMS新兴产品(光滤波器、微小投影仪、微小电子鼻、微扬声器、微超声器件、微能量采集器和NEMS)的科研现状和面临的技术挑战。从当前世界MEMS技术发展的系统集成、与CMOS工艺结合走向标准加工、纳米制造与微纳融合和多应用领域扩展的特点出发、结合国家MEMS技术发展的现状，提出建议。弓I言微电子机械系统(MEMS)是采用类似集成电路技术制造的微器件。MEMS由微米尺度的机械结构(支撑梁、悬臂、薄膜和流体通道等)和模拟、数字集成电路相集成而成oMEMS分为两大类：传感器和执行器；MEMS作为传感器可从它的周边环境接受信息，MEMS作为执行器可响应来自控制系统的指令而改变其环境。制造小机器是人类的一个共同的梦想，这一梦想的实现在美国称为“MEMS”，在日本称为"微机器"(micromachines),在欧洲称为"微系统"(microsystemes)。MEMS技术的起源可追溯至上世纪50年代初，1954年人们发现半导体Si和Ge具有压阻效应，由此而用于Si的传感器的研究。到1987年，人们在Si芯片上研制出可动的微部件、齿轮、涡轮等，成为从传感器研究到MEMS研究的重大转折［1］。Si芯片上的微小机器的诞生引起各国政府和科学界的高度关注，“小机器，大作为”的眼界带动了MEMS的科技创新高潮。从1987年到2000年的13年间，人们创新了多晶硅梳齿趋动、MEMS红外探测、Si加速度计、数子微镜器件、Si陀螺、射频MEMS、生物MEMS等新的器件，研发速度之快和领域之广令人'惊讶。进入二十一世纪MEMS由科研时代进入产品时代，继上世纪在喷墨打印、汽车传感和投影显示等商用化之后，光MEMS、IT传感、RFMEMS、纳技术工具、微流体系统和MEMS三维微结构等许多MEMS产品已经或将进入市场。2006和2007年，由于视频游戏和移动电话领域的应用创新，给MEMS产业带来快速增长，智能手机和平板电脑中的运动传感器件年增长率达30%，预计到2015年可达17.5亿美元销售额［2］，2010年MEMS市场增长率达25%，2011年达19%，市场规模突破100

亿美元；而同期世界半导体市场增长率为1.8%。进入新世纪，半导体产业的发展主体一集成电路按照“摩尔定律”

的发展规律进入纳米加工技术和芯片系统（SoC）时代，技术发展路

线形成新的特点：CMOS基的集成电路按比例尺寸缩小发展，继续“摩

尔定律”，即“MoreMoore”，2011年特征尺寸已达22nm。由模拟与

射频电路、无源元件、功率电路、传感器与执行器和生物芯片而形成

的多样性功能集成，称为“超越摩尔”，即“MorethanMoore”［3］。

MEMS作为微小传感器与执行器的发展主流，在“MorethanMoore”技

术发展中发挥重要作用。一、MEMS技术的发展MEMS技术和集成电路技术的不同，没有CMOS这样的主流器件作为发展主线，MEMS具有多样性的自身特点，一种器件有一种工艺，目前在MEMS市场占主流的是Si基工艺，而且是定制产品厂家，代工线处于发展之中。本文从MEMS进入产品时代高速发展期的特点出发，以进入新世纪并与信息产业相关的MEMS主流产品为切入点，并展望未来将发展的新产品，试图把握MEMS技术的发展现状与趋势。（一）MEMS加速度计1979年首次报道了成批制造的SiMEMS加速度计，早期商品化的

MEMS加速度计采用压阻效应并用体Si微机械工艺实现。八十年代后

期，随着表面Si微机械工艺和电容传感技术的进展，进而推动了九

十年代初MEMS加速度计在汽车工业中的首次商品化应用。在九十年

代后期，随着更加严格的汽车安全规制的加快执行，采用MEMS加速

度计作传感的防撞安全气囊在汽车中推广。进入新世纪，MEMS加速度

计进一步推广到汽车翻转探测和电子稳定控制系统（ESP）。1998年

采用体Si和表面Si微机械混合工艺制备的MEMS加速度计和角速度

传感器的ESP系统代替了宏机械的ESP系统，以适应日益增长的市场。

2005年基于成本和效益较好的表面Si微机械技术的数字惯性传感器

制造平台，形成第三代EPS传感器的量产［4］，以更简单的静电趋动

代替了先前的电磁趋动，传感单元和读出ASIC电路封装在预制塑封

管壳内。目前已开发了由表面Si微机械两轴MEMS加速度计、角速度

传感器和读出ASIC电路组成的集成惯性传感模块，封装在16脚表贴

塑封管壳内。在2000年代后期，MEMS加速度计进入消费手持产品市场，其价

格、尺寸和功耗满足该市场的需求，突破了超低功耗、超小体积、低

成本、可大量生产的模拟和数字输出的三轴加速度计的关键技术［5］：

低g高性能、表面微机械电容式传感元、低应力衬底、控制传感元和

电子芯片厚度和翘曲度的双片组装和试验及校准的大生产技术。目前

在消费市场，三轴加速度计和三轴磁强计结合将用于个人导航，三轴

加速度计和三轴MEMS陀螺相结合用个人的完整的运动传感。加速度的科研向更高性能发展，采用高性能闭环控制的惯性导航级MEMS加速度计，其长时偏稳达±0.1mg，VRE为10〃g/g2。高g量程的MEMS加速度计已达20万g。采用单晶硅悬臂梁阵列的数字MEMS加速度计能探测高g迅速变化的分布。为适应宇航应用的聚合物柔性衬底上MEMS加速度计和Z轴CMOS-MEMS加速度计已进行设计和评估。（二）MEMS陀螺仪1993年Si微机械梳齿谐振陀螺仪诞生。早期商用的Si微机械陀螺是由永久磁铁来驱动，在新世纪初静电驱动的Si微机械陀螺的引入代替了它。由于汽车工业中EPS系统的发展，2005年，第三代EPC系统中的传感单元由Si表面微机械陀螺仪替代了表面微机械加速度计和体微机械振荡质量块所构成的角速度传感器，电容式科里奥利振动陀螺仪和包含驱动及探测环路的ASIC电路相结合，使得第三代EPC系统具有更高精度、更好的信噪比、更适用和可靠［6］。和加速度计相比，MEMS陀螺仪进入移动应用面临更大的挑战，因为它对封装应力效应极为敏感，它需要高精度、大驱动和高质量真空封装，且其价格较高，使其消费商用落后于加速度计。随着技术的进一步突破和价格的降低，MEMS陀螺仪最终将进入移动电话、视频游戏和摄像机市场。陀螺仪的科研向高精度和集成化发展，在高精度MEMS陀螺的研究方面呈现多技术路线。采用双质量蝶形MEMS芯片、激励正反馈及探测负反馈双回路信号处理和真空陶封，实现高精度、高稳定MEMS陀螺，其量程为±500°，比例因子精度为±300ppm，角度随机漂移为0.002°/"h，偏置稳定度为0.04°/h，偏置重复度为0.1°/h。采用光传感机理去耦趋动和检测信号的电光MEMS陀螺设计，其结果表示具有用于导航级的潜力，偏置稳定度小于0.01°/h，角度随机漂移为0.001°/"h。采用真空封装、动态平衡的SOI双质量MEMS陀螺，其自由振动衰减时间常数达一分钟量级，工作频率1.7KHz，其趋动模式和检测模式的Q值分别为0.31和0.64百万，其机械灵敏度在1nm/°/h量级以及基本机械-热分辨率在0.01°/h/"Hz。采用CMOS-MEMS工艺实现了单片的五轴惯性测量单元微结构，在5X5mm2芯片上集成了三轴加速度计、Z轴和水平轴的陀螺和接口集成电路，以适应移动通信终端的需求。（三）MEMS麦克风上世纪八十年代就开始设计首个MEMS麦克风。麦克风是一个压

力传感器的子集，其主要区别是麦克风同时要求超低压力范围和宽的

频率响应操作。为达到MEMS麦克风所需的灵敏度，毫米尺度的隔膜

必须非常薄，在0.1〃m的量级，几十年来，没有工艺可用来制造这

样的隔膜。即使该微尺度的膜用传统压力传感器的材料和设计方法制

造出来，其产生的谐振频率仅几十或几百赫兹，不能满足市场需求。

麦克风采用的传统技术是驻极体传感器。在上世纪90年代，手机和

笔记本电脑演变成更复杂和强大的多媒体设备，需要支持在大范围的

环境中实时音频和视频通信，这些新的应用需要小，薄，全匹配的麦

克风，而且能和其他器件在标准的自动化生产线一起装配。市场需求

和MEMS工艺和材料的进步使得MEMS麦克风商品化应运而生。2003年

-2005年模拟输出的Si麦克风进入移动电话市场［7］，以表面微机械

工艺制备的Si电容式传感芯片为主，比传统的驻极体传感头具有两

个优点，能承受较高温度可适应表贴工艺，具有更小尺寸。2006年数

字输出的MEMS麦克风进入笔记本电脑市场，MEMS麦克风不但能适应

表贴，而且电脑设计者可将MEMS麦克风安放在笔记本电脑的最佳声

学位置，节省了防止RF和EM干扰的屏蔽电缆。目前市场的主流是由

传感芯片和ASIC芯片构成的两芯片模块MEMS麦克风，突破了传感芯

片的超薄层穿孔电极和背电极结构与工艺的优化设计，以及模块封装

中传感芯片所需的合适的前后空气体积和声学端口的优化设计，模拟

输出产品的信噪比达62dB，灵敏度达38dB，频率响应为50Hz-20KHz。

由于移动电话和笔记本电脑市场的推动，预测2013年MEMS麦克风的

销售将达10亿只。MEMS麦克风的科研向CMOS-MEMS技术方向发展[8],用该技术已

研制出单芯片的MEMS麦克风，利用标准的CMOS加工线的工艺中淀积

的金属/介质层，在电路的旁边制备MEMS传感元。该技术比两芯片的

技术需要更小的Si芯片面积，导致更小和更低成本的MEMS麦克风。

为克服Si电容式传感芯片易感性驱动和对潮湿暴露宽容度小的不足，

利用AlN等压电材料制备的MEMS麦克风也在研究。（四）数字微镜（。仲）1987年数字微镜诞生，1994年展示了基于DMD显示芯片的数字

光处理技术（DLP）的原型样机，1996年基于DLP技术的首台投影仪

出货。进入新世纪，发明DMD的TI公司已销售了50万台DLP系统，

到2006年，该公司在10年间共销售1000万台DLP系统，DMD成为

MEMS领域的主流产品之一[9]。DMD是世界上最复杂的MEMS光开关，

第一款DMD芯片由480000个面积为17X17pm2的微镜组成，实现800

X600个像素的显示。在SRAM电路的控制下带动微镜下的铰链机构实

现每个微镜±10度的倾斜，或反射光到屏幕或吸收光。改进的DMD采

用0.8pmCMOS双源技术，SRAM电路由CMOS技术制备；在经化学抛光

的CMOS晶圆的平面上建立四层金属的微镜系统（采用MEMS工艺实现）

[10]。2005年开发了用于HDTV（非交错分辨率1920X1080，对比度

10000:1的DMD芯片，其包含200万个微镜，目前200万个像素的

DMD芯片已用于3DTV。新研制的DMD芯片组已用于DLP微型投影仪，

可用于手机、笔记本电脑和袖珍多媒体播放。（五）MEMS喷墨头1977年研究出喷墨式打印原型样机，上世纪八十年代基于热驱动的MEMS喷墨头开发了喷墨式打印机，有玻璃喷嘴阵列和金属竦喷嘴阵列两种方法，但驱动方式都采用加热产生气泡，而气泡创建动作力。上世纪九十年代喷墨式打印机上市，1996年累积销售100万台，喷墨式打印机成为压力传感、加速度计和陀螺之后第四个MEMS量产的应用。新世纪之初，为提高键合工艺的精密组装MEMS喷墨头的分辨率，新研发了采用体Si和表面Si相结合的微机械工艺，在Si（100）上单片制造具有泡沫止回阀的微喷嘴阵列，其喷口直径为10Mm，液滴体积为0.1pL，频率响应35KHz，打印空间分辨率提高了三倍，并已商用化［11］。2005年，消费的喷墨式打印机的液滴体积为1pL，每口寸打印密度为9600X2400个点，芯片上有3584个喷嘴，为家用打印提供专业的图像质量。为了进一步满足照片高速、高分辨率和高打印质量的需求趋势，为突破传统MEMS喷墨头的最高物理分辨率1200dpi（软件补偿可达4800dpi而速度下降）的限制，人们新世纪后一直致力于MEMS喷墨头单片集成的设计，以期解决达到1200dpi的三个关键技术：对准精确度小于2pm；加热器的寿命要增加10倍；微通道流阻增加时气泡的效率下降。2010年报道了［12］，采用0.35pm高压、模拟CMOS工艺和Si（100）微机械相结合制造工艺，用三维电形成工艺代替目前商用产品的键合工艺以实现单片集成，使芯片和喷嘴平面之间的对准精确度小于川m，采用新微喷嘴结构设计适应单片集成和气泡效率的提升。该单片喷墨头的分辨率为1200dpi，喷口直径为14Mm，液滴体积为4pL，工作频率24KHz，寿命为1.5X108，在高分辨率CMOS-MEMS单片集成喷墨打印头取新的进步。（六）RFMEMS1979年第一个RFMEMS诞生，是Si上的微机械薄膜开关，经多年的发展，RFMEMS主要包含薄膜体声波谐振器（FBAR）、微机械谐振器、电容开关/变容器和金属接触开关等。RFMEMS的产生为射频电路中的无源元件的小型化开辟了新的技术路径，具有插损小，带宽较宽和易于和CMOS电路集成等优点，在雷达等军用领域和移动通信商用领域受到人们的关注。FBAR采用Si微机械工艺将体压电材料薄膜化并形成谐振腔，体

积大幅减小且频率性能有较大提高。2003年，FBAR双工器以每月百

万只的量进入CDMA移动通信市场；2004年，采用圆片键合密封工艺

制备的FBAR滤波器应用于GSM射频前端模块，工业界最小的滤波器

大量出货，FBAR成为首个商品量产的RFMEMS［13］。目前FBAR的研究

向更高频率、低功耗、振荡器应用和新压电材料的方向发展。采用

120nm厚的AlN薄膜的FBAR滤波器可工作在K波段。采用0.1即mCMOS

工艺研制的FBAR振荡器，在2GHz，功耗为22pW，相噪为-121dBc/Hz

（偏频100KHz）。功耗为亚mW级，1.5GHz的温补芯片级FBAR振荡

器的相位噪声达-124dBc/Hz（偏频100KHz）。首次研制出采用碳酸锶

钡-硅组合的FBAR可实现开关和调谐；键合工艺形成的硅上LiNbO3

薄单品层FBAR和石英薄层FBAR。微机械谐振器采用Si微机械工艺制备梁式、圆盘式的微机械振

荡器，比传统的石英振荡器具有耐冲击、体积小、易于量产和易于和

CMOS电路集成，可用于时钟和定时器的频率参照。目前微机械谐振器

替代石英振荡器的最大技术挑战是要达到石英振荡器所具有的亚

ppm/yr稳定度，理论分析微机械谐振器具有0.5ppm/yr的潜力［14］，

预计到2015年，微机械谐振器将在无线通信市场替代石英振荡器。

目前微机械谐振器的研究向提高Q值、减少阻抗和新机理的方向发展。

通过优化工艺，圆盘式微机械谐振器达到低成本高产出，其电容间隙

达70nm，由两个谐振器组成的差分放大结构的滤波器的Q值达24800。

CMOS-MEMS工艺研制的梁式微机械谐振器阵列，九个梁的阵列的阻抗

由单个梁的2.3MQ降至220KQ。采用微品金刚石新材料研制的微机

械谐振器，在232.441KHz，测量的Q值为146580。采用p-n结二极

管的耗尽层中的力形成的新机理高频微机械谐振器，在3.72GHz，Q

值达18000。热趋动新机理的单晶硅微机械谐振器的谐振频率达61MHz。RFMEMS接触开关采用Si表面微机械工艺制备梁式、圆盘式欧姆

接触微开关，其与P-I-N和FET固态开关相比，具有低插损、高隔离、

高线性和易于和CMOS电路集成等优点。但RFMEMS接触开关的商用化

尚要攻克可靠性等技术挑战，目前其科研向低损耗、高可靠和宽带应

用方向发展。以LSICMOS控制电路为衬底，实现RFMEMS开关和共面

波导的集成，插损在5GHz下为0.07dB/mm。采用TSV技术实现RFMEMS

开关的三维封装，封装的损耗在10GHz下为0.1dB［15］。采用薄膜封

装的低欧姆接触的RFMEMS金属开关的寿命达5X108次。采用RFMEMS

开关研制的系列可调谐滤波器覆盖了2-18GHz，可广泛应用于射频宽

带系统。RFMEMS变容器/电容开关的技术和接触开关类似，相比接触开关耐受RF功率的能力更强且具有更高的开关寿命，有望改善无线通信射频前端的性能和增加其集成度。RFMEMS变容器可提供RF电路的直接调节并不降低性能；也可通过减少多重信号路径使系统简化，实际的RFMEMS变容器往往组成电容开关阵列以达到重复与可靠。RFMEMS变容器/电容开关的商用化所遇到的挑战是进一步降低成本，以及介质充电等可靠性问题。目前其科研向更高的承载RF功率和数字阵列方向发展。圆盘式RFMEMS电容开关在10GHz的承载功率达10W，RFMEMS可调谐电容采用0.18〃mCMOS工艺实现了基础数字电容阵列［16］，在2GHz，Q值为87，电容比为10:1，谐振频率大于5GHz。二、新兴MEMS器件的发展未来移动互联网络的发展和纳米技术、微系统集成技术将是拉动新兴MEMS器件发展的市场和技术驱动力，新兴的MEMS器件包含：光滤波器、微小投影仪、电子鼻、微扬声器、超声波器件、微能源器件和NEMS。成像传感器在移动电话和平板电脑中主要用于摄像。为提高图像

的质量，可将不同种类的滤光片集成于CMOS成像传感器上，但波长

不可调。MEMS微系统可成为可调谐像元的重要角色。已报道将MEMS

窄带滤光器和CMOS成像传感器集成为红外光滤波器［17］，通过微机

械调整两个微镜面的间隙来调节滤光器的带宽。该结构用于可见光波

段的商用化，要克服5nm级精确定位，400nm-1000nm波长覆盖，低成

本与量产和集成封装以及可靠性等技术困难。嵌入智能手机的微小投影仪可使得人们用手机把视频、图像和表

述打在屏幕上大尺寸观赏或与他人共享。2008年基于480X320像素

的DLP芯片的2D成像的微小投影仪公布于众［18］，引起智能手机、

摄像和照相的生产大企业的高度关注，人们预计微小投影仪将迅速普

及，2013年将大量生产。目前微小投影机是基于低分辨率的DPL芯片，

由于尺寸限制和小像素感生的衍射效应，提高的分辨率是一个挑战。

克服上述限制的技术方案有三个：扫描镜投影仪、更接近的衍射光栅

和全息投影。微小投影仪未来的目标是较小尺寸、更高的分辨率、更

低的能耗和更高的光输出。微型电子鼻嵌入到智能手机中可增加监测周围的化学信号以获

得有用的信息，如空气质量监测、呼吸分析等。微型电子鼻是一种集

成微系统，由微小尺寸、低功耗的集成传感、读出电路、特定应用程

序和封装组成，MEMS传感器起作关键作用。已研发了微机械悬臂阵列

和聚合物结合的谐振模式，聚合物膜涂在MEMS电容上的超声传感，

聚合物膜涂在圆盘压电微机械谐振器的气相挥发物的微量探测以及

采用喷墨技术能快速制备微机械悬臂阵列化学传感器等［19］。微型电

子鼻的应用尚需突破一系列关键技术：厘米见方的小体积，亚毫瓦的

低功耗，包含化学涂料的选择、机电传导、读出电路和测量程序的系统设计，不同于传统MEMS密封封装的新方案设计与制备。目前智能手机和平板电脑中使用的杨声器是精密机械制备的，尺

寸较大且和自动装配不相容，未来的智能手机需要小型的、重量轻、

高保真声音、低电压驱动、低功耗、足够的声音输出功率、标准装配

和低成本的MEMS微杨声器。已研究的单芯片和阵列的MEMS微扬声器

有两类:基于微机械膜式的模拟扬声器和数字扬声器，尚未达到商用

的需要。MEMS模拟扬声器有三种，其一是静电驱动微扬声器，已有多

晶SiC薄膜和Si腔体键合结构的报道，其直径0.8mm，在16.95KHz，

声压水平（SPL）73dB;静电驱动的不足是要求较高驱动电压。其二是

压电驱动微扬声器，已有采用FBAR工艺研制的AlN膜结构的报道，

从100Hz到15KHz的SPL大于60dB，在9.3KHz达100dB;压电驱动的

工艺简单，主要不足是非线性。其三是电磁驱动，已有基于SOI技术

的Si膜结构的报道，其直径15mm，从300Hz到20KHz的SPL大于

70dB[20];电磁驱动的不足是结构复杂，体积较大。薄膜振动微扬声

器的基本挑战是如何解决微小面积器件产生大的声压，数字扬声器可

从原理上解决这一挑战。已报道采用CMOS-MEMS扬声器阵列用数字声

音再造的方法从数字信号直接产生声音[21]，该8位数字微扬声器在

5.2mmX5.2mm的芯片上集成了522个边长为216仇m的方形静电驱动

微小扬声器，用信号处理电路来改善声音质量，在50Hz到4KHz的SPL

大于78dB。数字微扬声器要进一步增加集成密度，改善均匀性和线性

以减少谐波失真。电容微机械超声换能器（CMUT）可在CMOS加工线上大量生产且易于集成，能克服传统压电超声换能器的不足，在医用成像系统应用等领域有发展前景。电容微机械超声换能器使得超声成像系统小型化，用于患者的电视监护；使超声系统便携化，易于流动使用；密集组装的CMUT能形成高端超声系统，实现多信道4D成像系统；CMUT能产生宽频带超声波，利用CMUT可制备高保真多目标超声成像系统。已报道了采用CMOS工艺研发的33个CMUT的阵列［22］，中心频率为

3.5MHz，带宽33%-44%。CMUT要攻克的技术挑战：改善可靠性，高密

度集成封装，CMUT基系统的设计，降低成本和医用的批准于鉴定。微传感器和无线传感网络覆盖空间的应用带动了MEMS能量采集

器的发展，无线胎压传感是这一应用的实例。基于振动的SiMEMS能

量采集器有几种研究，已报道Si梳齿电容结构的静电能量采集器能

产生8微瓦的功率输出；采用MEMS基AlN压电悬臂的微压电能量采

集器在572Hz谐振频率，2g加速度振动下能输出60微瓦功率；第二

代MEMS电磁能量采集器，在70=150Hz低频环境振动下能输出5.1微

瓦功率，比第一代提高三个量级［23］。基于振动的SiMEMS能量采集

器面临的技术挑战是功率输出随质量的减少而下降。基于环境温差的

热能MEMS能量采集器的研究也有进展，基于化合物半导体薄膜的微

热电能量采集器利用10°C的温差能产生30pW/cm2功率密度；利用

5°C的温差，0.5cm2面积和几毫米厚的Bi2Te3热堆微阵列热电能量采

集器能产生10pW的功率［24］。由于市场需求的牵引，MEMS能量采集

器的产品正在走向商用化。NEMS器件具有超小尺寸、