摘要：在分析MEMS（微电子机械系统）传感器当前的发展现状、特点特别是在器件实用化和产品化进程中所面临的挑战后，提出了MEMS传感器技术实用化的关键——提高器件性能满足应用要求。根据研究经历举例说明改进传感器材料、结构、制作工艺和器件工作原理等具体措施对提高器件性能的作用。



关键词：微电子机械系统、微传感器、微执行器、微机械技术



How to Improve the Performances of MEMS Transducers


Huang Shusen1, Li Xinxin1, Wang Yuelin1, Bao Minhang2

(1 State Key Lab on Transducer Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050;

2 Department of Microelectronics, Fudan University, Shanghai 200433)



Abstract: Based on the current technical status and encountered challenges of MEMS transducers towards application market, a view point is given in the paper that performance improvement of MEMS transducers is the key to inter application market. Examples are given to describe how to improve the device-performances by utilizing some improved sensing materials, sensing structures, fabrication techniques and device working schemes, etc.



Key Words: Microelectromechanical systems, Micro sensors, Micro actuators, Micromachining technology



1． MEMS传感器技术发展的特点和现状



随着MEMS技术的发展，采用该技术的微机械传感器研发事业正在壮大。但人们往往会有一种想法，即只要采用了MEMS的制造技术，完全可以把传统的传感器做成小型的器件。除MEMS制造技术外，完全可以沿用传统的传感器相关技术。事实上由于MEMS技术引入，传感器的相应设计规则也发生了变化。这其中包括：微机械应力的获取规则、微小电容检测的规则、温度漂移的引入规则、微机械位移和固有频率的关系、噪声作用的顺序、最终噪声底线等。同时，在MEMS执行器方面，也出现了诸如静电驱动深宽比法则、驱动稳定性条件、空气和稀薄气体的阻尼、静电吸合法则、微机械热平衡与传输规律、表面张力和毛细管作用规律、非线性振动规律等十分重要的问题。这些问题在宏观机械领域不起很大作用，因而没有受到很大重视。需要在研发MEMS传感器技术的同时逐步加以解决。

就在MEMS技术还处于不很完善的情况下，人们已经迫切希望和需要MEMS传感器走向实用化和产业化。其原因和动力如下：

a. 人们认为MEMS技术是微电子集成模式的延续和发展，理应尽快实现产业化；

b. MEMS传感器除可以实现传统产品更新换代之外，还可以依据自身的优势开拓崭新的应用市场，应用前景广阔。

c. 在Bio-MEMS、RF-MEMS等技术相继出现后，人们期待MEMS技术成为一种在从工业化到信息化乃至生物时代跨越发展中具有普适性的技术。而当人们纷纷展开MEMS产品技术的研究时，往往发现器件指标总是与应用需求有一些差距，我们称之为临界点突破前的困惑。仔细分析原因，有如下的一些因素：

a. MEMS选择了微电子集成制造的先进模式，也同时选择了它在三维机械加工方面的先天不足。人们也借鉴其它学科的一些三维加工技术并运用到MEMS中来。如采用电镀、粉末冶金、电火花技术等。这些技术很多与硅基的微电子集成模式又没有很好的兼容性。

b. 在产品市场开发中，MEMS产品取代传统产品遇到很多困惑。人们往往关注MEMS产品能否比传统产品具有更高的技术指标，而忽略了MEMS技术带来的其它优势和特点。

c. 很多正在开发的MEMS产品在性能上似乎总是接近但有不容易完全达到应用对指标的要求。相差不是很远但最后一段路往往十分漫长。

所以，从目前来看，在MEMS技术体系框架内实现关键技术突破，尽快使MEMS传感器能够达到应用的要求，这一点对MEMS技术实用化进程的成功十分重要。



2． 对MEMS技术与微传感器性能间关系的认识



首先应该认识到MEMS技术的复杂性和技术混合性远远不能同CMOS电路制造标准技术相比。简单依靠目前现有和成熟的所谓标准MEMS技术，往往使传感器性能不能达到要求。比如解决压阻式微压传感器线性化问题，需要考虑微机械膜片结构本身的力学非线性和半导体压阻效应非线性两方面。另外可能还要考虑介质隔离等封装因素造成的非线性。再如对待电容式微加速度传感器的分辨力问题，不能只考虑芯片电容本身，还要考虑结构中、引线中和接口电路中各种寄生电容效应的影响，当然还要考虑C－V变换等信号处理环节引入的噪声。另外对于诸如微振动陀螺机械耦合作用的影响、光开关运动行程与响应速度间的矛盾、通讯用RF谐振器高工作频率与超小谐振子驱动检测对面积要求的矛盾等等问题，

目前不能简单依靠一种标准技术来完全解决，而只能Case by case 对症下药，攻克技术难关。在认识上和研究问题出发点上，要认识到MEMS技术与标准IC技术的区别；在研究中要充分发挥MEMS技术组合中的灵巧性和艺术性；充分发挥人的作用，在MEMS产品开发中起决定性的作用。





3．举例论述提高MEMS传感器性能的具体措施



3．1．敏感材料改进在传感器中的作用

参见文献[1]和[2]，在微管道流体系统研究中需要高灵敏度和稳定的压力传感器阵列。常规产品技术难以满足表面微机械密集排列阵列器件的要求，而表面微机械压阻传感器采用多晶硅压阻时会遇到灵敏度低和稳定性欠佳的问题。为解决现实与需求的矛盾，采用了一种金属诱导再结晶的工艺来制造敏感电阻，在绝缘膜片上制造出了类似于单晶的电阻条。这样显著提高了压力灵敏度和温度稳定性，满足了微流体测量的需要。



3．2．器件结构的改进

参见文献[3]，为解决电容压力传感器输出非线性严重的问题而有避免进行复杂的信号处理，采用了一种单面推挽微机械结构，使传感器在二极管电桥输出时实现了高线性度。再如为了减小表面微机械麦克风中敏感膜片应力对灵敏度的降低，同时避免因采用波纹膜片释放应力时产生膜片刚度提高的负面影响，在文献[4]中采用了一种深盆腔膜片结构。即释放了薄膜应力，也减小了膜片本征刚性，实现了较高的声音灵敏度。





3．3．现有工艺改进对器件性能的改进



为解决压阻式微压传感器非线性问题，梁－膜－岛结构是很好的选择[5]。但正面加工梁区将不利于正面压阻的光刻。另外希望有较小质量的岛（较薄的岛）来减小惯性灵敏度和提高频响。文献[6]中介绍的一种在普通各向异型腐蚀基础上发明的掩模－无掩模两步腐蚀方法，可以在一个光刻图形之下腐蚀实现多层立体微结构。用该技术制作的微压传感器实现了高灵敏度和高线性度[7]。同样，利用无掩模腐蚀还实现了正交复合梁结构的压阻式微陀螺[8]。因此对制作工艺的改进可以实现多种器件并改善器件特性。



3．4．工作原理的改进对器件性能的影响

传统的微机械压阻加速度传感器往往采用梁弯曲获得应力实现敏感输出。这样加速度带来的应力总是只有一小部分被压阻条检测出来。因此传感器灵敏度往往较低。如果靠减小微机械梁刚度来提高灵敏度，往往有使频率带宽降低很多。因此输出灵敏度和自由振动频率乘积作为一种综合性能参数，在没有重要技术突破下很难得到提高。一种新的设计是微梁直拉直压的加速度传感器[9]。三梁结构传感器的可动质量块动能绝大部分反映到直拉或直压微梁的应力势能中，用整个微梁作为压敏电阻，从而提高了输出灵敏度和自由振动频率乘积达一个量级以上。再如MEMS谐振器，往往由于一些驱动技术限制造成振动幅度不够，影响了器件的工作特性。文献[10]中提出了一种两自由度(2-DOF)谐振器，通过巧妙的参数设计，使谐振器的力学灵敏度大大提高。将该技术应用到谐振式微陀螺中，可以提高角速度检测信号幅度，有利于提高测量分辨力。使用同样的技术，使NEMS谐振器的驱动问题得到了很好的解决。该种NEMS谐振器可以对质量的测量趋近和达到原子级分辨力[11,12]。



4． 总结语



采用多种手段，在器件材料、结构、制作工艺或器件工作原理等方面进行针对具体应用问题的技术改进，可以有力促进MEMS传感器面向应用实现实用化和产品化。只有当更多种MEMS传感器相继实现了产业化，使应用市场真正意识到MEMS技术的先进性的时候，投资者才会对MEMS技术和MEMS传感器技术投入更大的热情和资金，MEMS事业就会有更大的发展。反过来MEMS技术的研究就会有更大的推动力。







参考文献：

[1] Xinxin Li, W. Y. Lee, Man Wong, Yitshak Zohar, Gas flow in constriction micro-devices, Sensors and Actuators A, 83 (2000) 277-283

[2] Xinxin Li, Yitshak Zohar and Man Wong, Fabrication and Characterization of Nickel-Induced Laterally Crystallized Polycrystalline Silicon Piezo-resistive Sensors, Sensors and Actuators A, 82 (2000) 281-285

[3] Xinxin Li, Minhang Bao and Shaoqun Shen, Study on linearization of silicon capacitive pressure sensors, Sensors and Actuators A, 63-1 (1997) pp1

[4] Xinxin Li, Rongming Lin, Huatsoon Kek, Jianmin Miao and Quanbo Zou, Sensitivity-improved Silicon condenser microphone with a novel single deeply corrugated diaphragm, Sensors and Actuators A92 （2001）257-262

[5] M.Bao, L.Yu and Y.Wang, Stress concentration structure with front beam for pressure sensor, Sensors and Actuators, A28 (1991) 105-112

[6] Xinxin Li, Minhang Bao and Shaoqun Shen, Maskless anisotropic etching -- A novel micromachining technology for multilevel microstructures, Transducers“97―The 9th International Conference on Solid State Sensors and Actuators, Chicago, USA, June 16-19, 1997, pp699-702

[7] Heng Yang, Shaoqun Shen, Minhang Bao, Jianjun Ren, Jiaying Shen, Deren Lu. A pressure transducer with a single-sided multilevel structure by maskless etching technology. Mechatronics, Vol.8, 1998, pp. 585-593.

[8] Xinxin Li, Minhang Bao, Heng Yang, Shaoqun Shen, Deren Lu. A micromachined piezoresistive angular rate sensor with a composite beam structure. Sensors and Actuators, A72, 1999, pp.217-223

[9] Shusen Huang, Xinxin Li, Yuelin Wang，A Piezoresistive Accelerometer with Axially Stressed Tiny Beams for Both Much Increased Sensitivity and Much Broadened Frequency Bandwidth，已投稿到Transducers“03―The 12th International Conference on Solid State Sensors，Actuators and Microsystems, Boston, USA, June 8-12, 2003

[10] Xinxin Li, Rongming Lin, Kok Wah Leow, Performance-enhanced Micro-machined Resonant Systems with Two-degree-of-freedom (2-DOF) Resonators, Journal of Micromechanics and Microengineering, 10 (2000) 534-539

[11] Xinxin Li, Takahito Ono, Rongming Lin, Masayoshi Esashi, Much enlarged resonant amplitude of micro-resonator with two-degreee-of-freedom (2-DOF) mechanical coupling scheme, Transduers’01―The 11th International Conference on Solid-state Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 10-14, 2001, pp.1106-1109

[12] Takahito Ono, Xinxin Li, Dong-Weon Lee, Hidetoshi Miyashita, Masayoshi Esashi，Nanometric sensing and processing with micromachined functional probe, Transduers’01―The 11th International Conference on Solid-state Sensors and Actuators, Munich, Germany, June 10-14, 2001, pp.926-929

 王立鼎
大连理工大学微系统研究中心 大连 116023
微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems)是80年代发展起来的新兴交叉学科，其系统包括能源、微驱动器、微执行器、微传感器、微控制器以及与外界的接口等。由于该系统能够实现各类产品的微型化、集成化与便携化，因而在天上、地面和海洋的诸多领域有广泛的应用与产业前景。本文概括地介绍微机电系统学科的重大意义，13年来中国MEMS研发的总体概况，以及关注的热点。�� ��
Research and Development of MEMS in China

Wang Liding，Luo Yi

(MEMS Research Center,Dalian University of Technology,Dalian 116023)

Abstract： MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) is a newly developing intercross subject since 1980s“.It includes energy,micro driver,micro actuator,micro sensor,micro controller and interface.MEMS can miniaturize and integrate many kind of products,so it has a widely use and very good prospect of industrialization in many fields.Significance and characteristic of MEMS,research and development of MEMS in China in the past thirteen years and interesting points have been summarized in this paper.��

Key Words： MEMS;Miniaturization;Integration
1 微机电系统学科的重大意义
1.1 微机电系统学科内涵、重大意义
微机电系统(MEMS)是指适于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。MEMS是多学科交叉的前沿研究领域，它涉及
电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科与技术。MEMS广义上包含了微小型和微米机械。
自1987年7月一个新兴交叉学科--MEMS诞生以来，为当今的信息时代增添了新的色彩。它不仅具有微电子的信息获取与处理的功能，而且兼有动作信息的执行功能。它囊括声、光、热、力、电、磁、化学、生物
等传感方式，加之微能源、微驱动、微执行、微处理系统的综合，组成千差万别的可实用化、产业化的微型集成器件与系统。
微机电系统的发展将极大地促进各类产品的微型化、集成化与便携化、成数量级地提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度地节能、节材。它将广泛地用于国防、航空、航天、生物医学、制造业、
交通、通信、农业、环保以及家庭。MEMS技术引起了世界各国科学界、产业部门和政府部门的高度重视，被列入各国高技术发展规划，已经成为当今科技热点之一。展望21世纪，MEMS也会像20世纪的微电子技术
给世界带来的影响那样，它的发展将可能引发一场新的产业革命。
微机电系统的出现，对于发展中的世界各国都是一次重大的历史机遇。中国开展MEMS研究工作晚于发达国家，但由于MEMS在21世纪将形成国际性的高技术市场，所以中国必须后起直追，突破若干关键技术，迎头赶上。
2 中国MEMS研发的总体概况
2，1 政府和部门的立项投人
中国的MEMS研究始于1989年，在国家"八五"、"九五"计划期间，得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部、教育部、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为1．5亿人民币。"十五"期间，
MEMS正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金会和科技部新的立项以及地方和企业的投入，预计总经费可达3亿人民币以上。这就是说，"十五"期间在MEMS方面的经费投入是"八五"、"九五"期间经费总和的两倍(港台未统计在内)。
2．2 研发的分布地区和单位 ·
中国内地MEMS的研发单位主要集中在华北、华东和东北三个地区，还有西南地区的重庆和西北地区的西安等。初步统计，不同层次的内地研发单位共有60余个。如：
华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、石家庄13所，中科院力学所等；
华东地区：中科院上海微系统与信息技术所、上海交大、上海大学、东南大学、浙江大学、厦门大学、中国科大、南京55所等；
东北地区：大连理工大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨49所、中科院长春光机所、沈阳仪器仪表工艺所、东北大学等；
西南地区：重庆大学、重庆微系统科技股份有限公司等；
西北地区：西安交大、航空618所等；
内地其它单位还有：解放军总装备部、中科院半导体所、中科院高能物理所、北京理工大学、北京航空航天大学、南开大学、天津大学、华北工学院、复旦大学、华东师范大学、中科院上海光机所、南京航空航天大
学、中科院合肥智能机械所、黑龙江大学、沈阳工业大学、沈阳47所、长春科技大学、重庆24所、重庆26所、重庆44所、中科院成都光电技术所、中国工程物理院电子所、成都电子科技大学、西北工业大学、西安电子
科技大学、广东工业大学、武汉科技大学、河北科技大学、四川大学、航天集团16所等。
香港地区：香港科大、中文大学等。
台湾地区：台湾大学、清华大学、交通大学、成功大学、新竹工业园机械所等。
据统计，按部门分布如图1所示。
2.3 中国内地MEMS的研发内容
中国内地已经完成的和正在进行的MEMS研发内容按系统、器件、工艺、测试和基础理论分类如下:
微系统:微操作系统(细胞操作、微装配）；微惯性测量系统（MIMU）；微小管道机器人（电磁式、压电式）；微流体控制系统；生化芯片（阵列芯片、微流控芯片）、微型光谱仪、微型飞行器；纳米卫星；集成微微传感器。
微器件：1。微驱动器,微执行器（微元件-齿国化、弹簧、探针、梁；微电机一静电、压电(行波、驻波、串联臂)、电磁(旋转磁场、摇摆式)；微泵-膜片泵(压电、双金属片、SMA、无阀）、电渗泵（高雅、低压）、叶轮泵、螺杆泵；微阀；微喷嘴；微夹钳一压电式、ISMA、电磁式；微齿轮减速器(齿轮付、行星)；微连杆机构；微谐振器；微麦克风；2。微传感器：物理量-压力传感器(硅杯、压差、锥尖)、加速度传感器(电容、梳状、压电、力平衡)、热敏、湿敏、磁敏、声表面波、光学、光电、流量、风速；化学量-气体、生化、鲜度；3。微波器件：波分复用器、开关、天线；4。光通讯器件：光开关。
微工艺：IC工艺(表面硅、体硅)；LIGA工艺(X射线、紫外线、激光)；EDM；化学三维刻蚀、微键合(静电、高温)、微组装
小机械加工；
微测试：微机械性能(弹性模量、摩擦磨损、强度)；微运动学(运动参数：速度、加速度、角速度、角加速度)；微动力学(静力矩、动力矩、固有频率)；微管道流体特性
基础理论：微摩擦学；微机械学；微运动学；微动力学(固态、液态)；微传热学
换能理论；静电力学；仿真、CAD、优化、可靠性
3 中国在MEMS方面关注的几个问题
3.1 基础理论与基础技术
在许多自然科学基金项目、攀登计划B项目中，已经在MEMS微尺度效应下的介观物理和细观力学等基础理论和各种微细加工工业方面进行了十余年的研究工作。由于中国内地微电子IC工业落后以及微观科学与技术的快速发展不断深入探讨MEMS的基础理论与技术就显得十分重要。MEMS发展成产业没有好的工艺基础不行，这就需要人们必须进一步关注基础理论与基础技术。纳米技术与MEMS的结合，可能产生创新结构与特性，这也是基础理论和基础技术研究的一个侧面。一些重点、重大基金，甚至是863中的MEMS项目，都对此继续给与关注。
3.2 器件与系统
MEMS研究的初期阶段，许多人着眼于机械器件的小型化、微型化技术。如研究微齿轮、微电机、微泵等等。随着人们对21世纪科技发展总趋势的认识，服务与信息科学和生命科学的MEMS耿受到科技工作者、政府和产业界的重视，注入传感器MEMS、RF与IT MEMS、生物MEMS。
器件与系统的集成技术（微结构与电路的集成设计、集成制造）已经有人在做，首先是表面硅工艺和CMOS电路的集成化。在传感MEMS方面，集成技术会发展很快。这些技术和半导体集成化芯片系统（SOC）技术的发展紧密相连。
3.3 实用化与产业化
从本文的统计来看,中国MEMS研究的覆盖面是很宽的,跟踪美国、日本和西欧新器件的速度是比较快的。从科研的角度来看，中国列与国际排名的前十位之中。 然而，中国MEMS的发展存在严重的缺陷。即中国内地的MEMS多集中在高校和非产业化的研究所，且研制的器件与系统大多数没有达到产前样机的水平。
健康地发展中国的MEMS，必须有大量的产业部门参与和投入。没有这一条，中国的MEMS就不能达到实用化和产业化。863 MEMS专项，明确要求企业介入或牵头，它为中国MEMS的实用化与产业化带来了希望。