微机电系统(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)是现在备受瞩目的新兴技术之一，在很多领域得到广泛应用。MEMS的应用范围除了涵盖热门的IT、通信、消费类等领域外，也适用于汽车、军事、生物、医疗、化学等各种领域，几乎任何需要机械器件的小型化电子系统都可使用MEMS技术。

MEMS技术具有小尺寸、多样化、微电子等特点，它将信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。MEMS与一般的机械系统相比，不仅体积缩小，而且，在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化，同时，它又属于多学科交叉的新领域，是融合微电子与精密机械加工的技术;是集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的，具有信息获取、处理和执行等多功能的系统。

微机电系统（MEMS）的关键技术主要是微机电系统的加工技术，微传感器技术，微执行器和微机构技术，微机电系统的装配与封装技术等。

1、MEMS加工技术

MEMS加工技术主要分为三种，分别以美国为代表的硅基MEMS技术、日本以精密加工为特征的微加工技术和德国的LIGA技术。

（1）硅基MEMS技术
以美国为代表的硅基MEMS技术是利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。这种方法可与传统的IC工艺兼容，并适合廉价批量生产，已成为目前的硅基MEMS技术主流。

各向异性腐蚀技术就是利用单晶硅的不同晶向的腐蚀速率存在各向异性的特点而进行腐蚀技术，其主要特点是硅的腐蚀速率和硅的晶向、搀杂浓度及外加电位有关。它靠调整器件结构，使它和快腐蚀的晶面或慢腐蚀的晶面方向相适应，利用腐蚀速度依赖杂质浓度和外加电位这一特性可以实现适时停止腐蚀。利用此技术可以制造出MEMS的精密三维结构。

固相键合技术就是不用液态粘连剂而将两块固体材料键合在一起，且键合过程中材料始终处于固相状态的方法。主要包括阳极键合（静电物理作用）和直接键合两种。阳极键合主要用于硅-玻璃键合，可以使硅与玻璃两者的表面之间的距离达到分子级。直接键合技术（依靠化学键）主要用于硅-硅键合，其最大特点是可以实现硅一体化微机械结构，不存在边界失配的问题。

表面牺牲层技术(又称为表面微机械)是在20世纪80年代由美国加州大学Berkeley分校开发出来的，它以多晶硅为结构层，二氧化硅为牺牲层。表面牺牲层技术与集成电路技术最为相似，其主要特点是在“薄膜+淀积”的基础上，利用光刻、腐蚀等IC常用工艺制备微机械结构，最终利用选择腐蚀技术释放结构单元，获得可动结构。最成功的表面牺牲层技术目前采用多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料，该工艺为薄膜工艺，最大的优点是容易将机械结构与处理电路批量集成制造。

(2) 微加工技术
以日本为代表的微加工技术利用传统机械加工手段，用大机器制造小机器，再用小机器制造微机器。此加工方法可以分为两大类：超精密机械加工及特种微细加工。超精密机械加工以金属为加工对象，用硬度高于加工对象的工具，将对象材料进行切削加工，所得的三维结构尺寸可在0.01mm以下。此技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨削与研磨加工等。

特种微细加工技术是通过加工能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切削加工。特种加工是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量形式。常用的加工方法有：电火花加工、超声波加工、电子束加工、激光加工、离子束加工和电解加工等。超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级，可以批量制作模数仅为0.02左右的齿轮等微机械元件，以及其它加工方法无法制造的复杂微结构器件。

(3) LIGA技术
以德国为代表的LIGA技术利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺，形成深层微结构。利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，得到大深宽比的精细结构，其加工深度可达几百微米。

LIGA技术与其它立体微加工技术相比有以下特点：
•可制作高度达数百至1000μm，深宽比可大于200，侧壁平行偏离在亚微米范围内的三维立体微结构；
•对微结构的横向形状没有限制，横向尺寸可以小到0.5μm，精度可达0.1μm；
•用材广泛，金属、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作为LIGA的加工对象；
•与微电铸、铸塑巧妙结合可实现大批量复制生产，成本低。
LIGA的主要工艺步骤如下：在经过X光掩模制版和X光深度光刻后，进行微电铸，制造出微复制模具，并用它来进行微复制工艺和二次微电铸，再利用微铸塑技术进行微器件的大批量生产。

由于LIGA所要求的同步X射线源比较昂贵，所以在LIGA的基础上产生了准LIGA技术，它是用紫外光源代替同步X射线源，虽然不能达到LIGA加工的工艺性能，但也能满足微细加工中的许多要求。由LIGA工艺发展起来的还有SLIGA、M2LIGA、抗蚀剂回流PRLIGA等。由上海交通大学和北京大学联合开发、具有独立知识产权的DEM技术，也属于LIGA技术中的一种。该技术采用感应耦合等离子体深层刻蚀工艺来代替同步辐射X光深层光刻，然后进行常规的微电铸和微复制工艺，该技术因不需要昂贵的同步辐射X光源和特制的X光掩摸板而具有广泛的应用前景。

2、微传感器技术

微机电系统技术起源于微型硅传感器的发展，微传感器已经成为微机电系统的三大组成部分之一。根据微传感器检测对象所属分类的不同，可将传感器分为物理量传感器、化学量传感器以及生物量传感器，而其中每一大类下又分包含许多小类，如物理量传感器包括力学的、光学的、热学的、声学的、磁学的等多种传感器，化学量传感器又分为气敏传感器和离子敏传感器，而生物传感器可分为酶传感器、免疫传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器和DNA 传感器等。目前，由于微电子技术的发展，很多微传感器已能大批量生产，而且部分微传感器，如力学传感器已取得了巨大的商业成功，形成产业化。由于微机电系统的发展需要，微传感器正在向集成化，智能化的方向发展。

3、微执行器和微机构技术

微机构和微执行构是微机电系统研究的重要内容之一。微执行机构是微机电系统中实现微操作的关键驱动部件，它根据系统的控制信号来完成各种微机械运动，如用微型泵抽取液体，微型机械手移动手术刀等。微执行器按照其工作原理主要可分为五类：电学执行器、磁学执行器，流体执行器，热执行器和化学执行器等。

微型机构常常是用硅微加工得到的，微机构常用来作为传动或驱动件。常见的微型机构有微型连杆机构、微型齿轮机构、微型平行四边形机构、微型梳状机构等。

微机构和微执行器的运动与宏观机械运动有很多的不同。当微机械系统的尺寸小到微米级以下时，许多在宏观机械系统中物理现象将发生显著的变化，这称为微机电系统的尺度效应。因此，设计微机构和微执行机构必须研究微观领域中的许多基础理论知识，如微观动力学知识，微液压系统的知识。

4、MEMS的装配与封装技术

MEMS的装配（assembly）与封装(packaging)技术是微机电系统研究的一项重要内容。目前，已生产的微机电系统设备价格非常昂贵，主要原因之一在于微机电系统的装配和封装的成本太高。特别是一些复杂的微系统，其装配和封装所需的费用往往是设备生产费用的几十上百倍。微机电系统的元件的装配必须定位非常精确，如果全部用人工装配，将消耗大量的资金和时间。因此在设计微机电系统时，必须先考虑其装配问题。目前微机电系统的装配常各种不同的技术达到自动校准和自动装配，如利用表面张力把两个微型板吸在一起形成所需的微机构。随着制造工艺的发展，微系统的装配引起了越来越多的关注和研究。如日本政府近年来正在投资一项微机械研究项目，发展桌面顶端微机械工厂（a desk-top micromachines factory）。微机电系统的封装主要用来保护在恶劣环境中使用的设备，避免其受到机械损坏、化学侵蚀、或电磁干扰等。微机电系统的封装必须带有一定的电气、液压、光纤接中，必须便于使用者操作，能与其它设备相连。目前，集成电路的封装技术已经十分成熟，而微机电系统的封装却大大滞后于器件的研究。这个问题不解决，就不可能降低目前微机电系统昂贵的费用。这已经引起了人们的重视，并有多种不同形式的封装形式出现，如引人注目的芯片级或硅片级封装能大大降低封装成本。

MEMS的潜在应用范围很广，未来值得期待的全新市场，包括无线传感网络、智能型药丸、芯片上实验室(Chip-On-Lab)等等，能广泛运用于汽车、生物医学、通信，以及消费类产品装置上。不过，虽然商机庞大，但其技术门坎也相当高，除了少不了大量的研发资金外，研发团队更需要对基础科技有深入的掌握，甚至得进行跨科技的合作，才能将产品从实验室带入到产业化的阶段。就半导体产业来说，MEMS与生产工艺未来的单芯片中可望整合音讯、光线、化学分析及压力、温度感测等子系统，因而发展出人体眼睛、鼻子、耳朵、皮肤等感官功能的芯片；如果再加入对电磁、电力的感应与控制能力，那就超越人体的能力了。虽然，如何让MEMS在工艺面进入到如同今日CMOS般的标准程序，将是产业链上的一大挑战。但随着MEMS技术的不断发展和日益成熟，MEMS将是二十一世纪最有前途的产业之一，具有广阔的发展空间。