微機電系統(Micro Electro-Mechanical System，MEMS)是現在備受矚目的新興技術之一，在很多領域得到廣泛應用。MEMS的應用范圍除了涵蓋熱門的IT、通信、消費類等領域外，也適用于汽車、軍事、生物、醫療、化學等各種領域，幾乎任何需要機械器件的小型化電子系統都可使用MEMS技術。

MEMS技術具有小尺寸、多樣化、微電子等特點，它將信息系統的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。MEMS與一般的機械系統相比，不僅體積縮小，而且，在力學原理和運動學原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發生變化，同時，它又屬于多學科交叉的新領域，是融合微電子與精密機械加工的技術;是集微型機構、傳感器信號處理、控制等功能于一體的，具有信息獲取、處理和執行等多功能的系統。

微機電系統（MEMS）的關鍵技術主要是微機電系統的加工技術，微傳感器技術，微執行器和微機構技術，微機電系統的裝配與封裝技術等。

1、MEMS加工技術

MEMS加工技術主要分為三種，分別以美國為代表的硅基MEMS技術、日本以精密加工為特征的微加工技術和德國的LIGA技術。

（1）硅基MEMS技術
以美國為代表的硅基MEMS技術是利用化學腐蝕或集成電路工藝技術對硅材料進行加工，形成硅基MEMS器件。這種方法可與傳統的IC工藝兼容，并適合廉價批量生產，已成為目前的硅基MEMS技術主流。

各向異性腐蝕技術就是利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點而進行腐蝕技術，其主要特點是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關。它靠調整器件結構，使它和快腐蝕的晶面或慢腐蝕的晶面方向相適應，利用腐蝕速度依賴雜質濃度和外加電位這一特性可以實現適時停止腐蝕。利用此技術可以制造出MEMS的精密三維結構。

固相鍵合技術就是不用液態粘連劑而將兩塊固體材料鍵合在一起，且鍵合過程中材料始終處于固相狀態的方法。主要包括陽極鍵合（靜電物理作用）和直接鍵合兩種。陽極鍵合主要用于硅-玻璃鍵合，可以使硅與玻璃兩者的表面之間的距離達到分子級。直接鍵合技術（依靠化學鍵）主要用于硅-硅鍵合，其最大特點是可以實現硅一體化微機械結構，不存在邊界失配的問題。

表面犧牲層技術(又稱為表面微機械)是在20世紀80年代由美國加州大學Berkeley分校開發出來的，它以多晶硅為結構層，二氧化硅為犧牲層。表面犧牲層技術與集成電路技術最為相似，其主要特點是在“薄膜+淀積”的基礎上，利用光刻、腐蝕等IC常用工藝制備微機械結構，最終利用選擇腐蝕技術釋放結構單元，獲得可動結構。最成功的表面犧牲層技術目前采用多晶硅薄膜作結構材料、二氧化硅薄膜作犧牲層材料，該工藝為薄膜工藝，最大的優點是容易將機械結構與處理電路批量集成制造。

(2) 微加工技術
以日本為代表的微加工技術利用傳統機械加工手段，用大機器制造小機器，再用小機器制造微機器。此加工方法可以分為兩大類：超精密機械加工及特種微細加工。超精密機械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象材料進行切削加工，所得的三維結構尺寸可在0.01mm以下。此技術包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。

特種微細加工技術是通過加工能量的直接作用，實現小至逐個分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機械加工和特種微細加工技術的加工精度已達微米、亞微米級，可以批量制作模數僅為0.02左右的齒輪等微機械元件，以及其它加工方法無法制造的復雜微結構器件。

(3) LIGA技術
以德國為代表的LIGA技術利用X射線光刻技術，通過電鑄成型和鑄塑工藝，形成深層微結構。利用LIGA技術可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細結構，其加工深度可達幾百微米。

LIGA技術與其它立體微加工技術相比有以下特點：
•可制作高度達數百至1000μm，深寬比可大于200，側壁平行偏離在亞微米范圍內的三維立體微結構；
•對微結構的橫向形狀沒有限制，橫向尺寸可以小到0.5μm，精度可達0.1μm；
•用材廣泛，金屬、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作為LIGA的加工對象；
•與微電鑄、鑄塑巧妙結合可實現大批量復制生產，成本低。
LIGA的主要工藝步驟如下：在經過X光掩模制版和X光深度光刻后，進行微電鑄，制造出微復制模具，并用它來進行微復制工藝和二次微電鑄，再利用微鑄塑技術進行微器件的大批量生產。

由于LIGA所要求的同步X射線源比較昂貴，所以在LIGA的基礎上產生了準LIGA技術，它是用紫外光源代替同步X射線源，雖然不能達到LIGA加工的工藝性能，但也能滿足微細加工中的許多要求。由LIGA工藝發展起來的還有SLIGA、M2LIGA、抗蝕劑回流PRLIGA等。由上海交通大學和北京大學聯合開發、具有獨立知識產權的DEM技術，也屬于LIGA技術中的一種。該技術采用感應耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射X光深層光刻，然后進行常規的微電鑄和微復制工藝，該技術因不需要昂貴的同步輻射X光源和特制的X光掩摸板而具有廣泛的應用前景。

2、微傳感器技術

微機電系統技術起源于微型硅傳感器的發展，微傳感器已經成為微機電系統的三大組成部分之一。根據微傳感器檢測對象所屬分類的不同，可將傳感器分為物理量傳感器、化學量傳感器以及生物量傳感器，而其中每一大類下又分包含許多小類，如物理量傳感器包括力學的、光學的、熱學的、聲學的、磁學的等多種傳感器，化學量傳感器又分為氣敏傳感器和離子敏傳感器，而生物傳感器可分為酶傳感器、免疫傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織傳感器和DNA 傳感器等。目前，由于微電子技術的發展，很多微傳感器已能大批量生產，而且部分微傳感器，如力學傳感器已取得了巨大的商業成功，形成產業化。由于微機電系統的發展需要，微傳感器正在向集成化，智能化的方向發展。

3、微執行器和微機構技術

微機構和微執行構是微機電系統研究的重要內容之一。微執行機構是微機電系統中實現微操作的關鍵驅動部件，它根據系統的控制信號來完成各種微機械運動，如用微型泵抽取液體，微型機械手移動手術刀等。微執行器按照其工作原理主要可分為五類：電學執行器、磁學執行器，流體執行器，熱執行器和化學執行器等。

微型機構常常是用硅微加工得到的，微機構常用來作為傳動或驅動件。常見的微型機構有微型連桿機構、微型齒輪機構、微型平行四邊形機構、微型梳狀機構等。

微機構和微執行器的運動與宏觀機械運動有很多的不同。當微機械系統的尺寸小到微米級以下時，許多在宏觀機械系統中物理現象將發生顯著的變化，這稱為微機電系統的尺度效應。因此，設計微機構和微執行機構必須研究微觀領域中的許多基礎理論知識，如微觀動力學知識，微液壓系統的知識。

4、MEMS的裝配與封裝技術

MEMS的裝配（assembly）與封裝(packaging)技術是微機電系統研究的一項重要內容。目前，已生產的微機電系統設備價格非常昂貴，主要原因之一在于微機電系統的裝配和封裝的成本太高。特別是一些復雜的微系統，其裝配和封裝所需的費用往往是設備生產費用的幾十上百倍。微機電系統的元件的裝配必須定位非常精確，如果全部用人工裝配，將消耗大量的資金和時間。因此在設計微機電系統時，必須先考慮其裝配問題。目前微機電系統的裝配常各種不同的技術達到自動校準和自動裝配，如利用表面張力把兩個微型板吸在一起形成所需的微機構。隨著制造工藝的發展，微系統的裝配引起了越來越多的關注和研究。如日本政府近年來正在投資一項微機械研究項目，發展桌面頂端微機械工廠（a desk-top micromachines factory）。微機電系統的封裝主要用來保護在惡劣環境中使用的設備，避免其受到機械損壞、化學侵蝕、或電磁干擾等。微機電系統的封裝必須帶有一定的電氣、液壓、光纖接中，必須便于使用者操作，能與其它設備相連。目前，集成電路的封裝技術已經十分成熟，而微機電系統的封裝卻大大滯后于器件的研究。這個問題不解決，就不可能降低目前微機電系統昂貴的費用。這已經引起了人們的重視，并有多種不同形式的封裝形式出現，如引人注目的芯片級或硅片級封裝能大大降低封裝成本。

MEMS的潛在應用范圍很廣，未來值得期待的全新市場，包括無線傳感網絡、智能型藥丸、芯片上實驗室(Chip-On-Lab)等等，能廣泛運用于汽車、生物醫學、通信，以及消費類產品裝置上。不過，雖然商機龐大，但其技術門坎也相當高，除了少不了大量的研發資金外，研發團隊更需要對基礎科技有深入的掌握，甚至得進行跨科技的合作，才能將產品從實驗室帶入到產業化的階段。就半導體產業來說，MEMS與生產工藝未來的單芯片中可望整合音訊、光線、化學分析及壓力、溫度感測等子系統，因而發展出人體眼睛、鼻子、耳朵、皮膚等感官功能的芯片；如果再加入對電磁、電力的感應與控制能力，那就超越人體的能力了。雖然，如何讓MEMS在工藝面進入到如同今日CMOS般的標準程序，將是產業鏈上的一大挑戰。但隨著MEMS技術的不斷發展和日益成熟，MEMS將是二十一世紀最有前途的產業之一，具有廣闊的發展空間。