1.2 微机电系统的起源

微机电系统的起源与各学科的交叉和工业的发展有关，其中关系最为密切的是半导体集成电路和固态传感器，是微电子学向非电子领域发展的必然的逻辑结果，也是人类与生俱有对未知世界探究的愿望和微小型化的应用需求。比如，电视屏幕不需要小型化，但电视机需要小型化；汽车不需要小型化，但是压力传感器、加速度计以及陀螺需要小型化，等等。

首先，微电子技术是MEMS技术的基础，微机电系统的起源与微电子技术的发展密切相关。

1947年贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1958年仙童公司罗伯特·诺依斯与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。这些开创性的发明使得人类可以在微米量级的尺度上大规模制作电子元件、器件与电路。而集成电路的迅猛发展，使硅成为了最重要的微电子材料，也为微机电系统技术的发展奠定了基础。1959年，美国物理学家理查德·费曼首先提出了微型机械的设想。

其次，压阻效应的发现引入了机械物理量，形成了微机电系统。

1954年史密斯发现了半导体的电阻率在应力作用下会发生变化，即压阻效应。1958年，人们采用硅单晶制作成了半导体应变片，将其粘贴在弹性体的特定部位上，通过测量其应变，就可以计算出弹性体所受的外力，其灵敏度是金属应变片的数十倍。

20世纪60年代末至70年代初，美国和日本等国家先后以压阻效应为基础，研制出扩散压力传感器。扩散压力传感器采用集成电路的平面工艺技术，在硅片上光刻、扩散敏感电阻，而在硅的背面研磨出凹坑，形成C形硅杯。通过测量电参数可以推算出加在硅杯上的压力值。由于敏感电阻和弹性体在同一硅片上，彻底消除了粘贴应变片所带来的误差，而且又可以在硅片上制作补偿电阻和电路，使扩散硅压力传感器的测量精度大大提高。扩散硅压力传感器的发展使得硅成为优良的机械电子材料。

20世纪70年代中期，美国Kulite压力传感器公司率先用光刻的方法在硅的背面形成氧化硅和氮化硅掩模，再利用各向异性腐蚀代替机械研磨来制作扩散压力传感器的硅杯膜片，并采用静电键合技术进行传感器组装。这种采用体微加工技术研制出的压力传感器可以认为是微型传感器的雏形。

最后，微结构的实现引入了可动的机械部件，形成了真正的微机电系统。

20世纪80年代初、中期，美国加州大学伯克利分校、威州大学麦迪逊分校等单位研制出了仅从硅片正面对淀积生长的薄膜进行加工而形成微结构的方法。他们采用多晶硅薄膜为结构材料，以磷硅玻璃为牺牲层，研制成了压力传感器、硅梁、微连杆、微弹簧等机械运动部件。20世纪80年代末、90年代初，是微机电系统历史上第一个丰收的季节。

1988年5月27日，美国加州大学伯克利分校的两个年轻人，启动开关，为一个采用表面牺牲层集成电路工艺研制出的转子直径为120μm的静电型微电机通电，并在显微镜下观测了其运转情况，如图1.2所示。这个仅转动了很短时间的微电机标志着微机电系统时代的到来。

与此同时，德国卡尔斯鲁厄原子核研究所，诞生了以同步辐射X射线光刻、电镀和模铸为特征的光刻电铸模造（LIGA）技术。这种技术可以制成高为数百微米、横向尺寸仅为1μm的微机械结构，加工材料也扩展到金属、塑料和陶瓷。

体微加工、表面微加工和LIGA技术构成微机械加工技术的主体。通过硅工艺、大规模集成技术以及微机械加工技术，使人们能够把信息传感、数据处理、执行机械以及其他一些微器件，按照集成电路的制造原则，以高密度、低成本的方式集成在一起，产生了微机电系统这一概念。

从MEMS的起源可见，与微电子技术关系非常密切，这两个领域可以共享很多关键技术。但是在设计和封装上，微机电系统和集成电路和微电子都有非常大的差异，主要差异如下所示。

（1）相对微电子，MEMS包括很多不同的材料。除了常用的硅材料，还有其他一些材料，如石英、砷化镓、聚合物、金属或合金、塑料，玻璃和陶瓷等一些微电子不用的材料。

（2）相对微电子，MEMS设计要面对大量的各种各样的功能，而微电子仅限定于电子功能设计。

（3）很多MEMS包括可动部分，如微型阀门、微泵、微马达和微齿轮等。很多还需要流体流过系统，例如生物传感器和分析系统。另外，微光学系统还需要给光束提供输入/输出端口。而微电子没有任何可动部件，也不与光学或者流体发生关系。

（4）集成电路主要是二维结构，被限制在硅芯片表面。然而，MEMS包括复杂的三维几何图形。

（5）微电子中的集成电路在封装后要与环境绝缘，但是MEMS中的敏感元件和一些核心元件要与工作介质接触，这导致MEMS封装要比微电子封装复杂得多。

（6）微电子的制造和封装目前是成熟的技术，有规范成文的工业标准。但是MEMS设计、制造和封装涉及大量的科学和工程学科，与微电子的成熟程度还有很大的差别。