MEMS 微继电器及其关键问题研究

MEMS 微继电器及其关键问题研究

陈芳靖 1 陈赫 2

1.中山职业技术学院 机电工程系 广东省中山市 528400； 2.上海工程技术大学 上海市 200020

摘要：现代化社会发展趋势下，移动终端及电子信息设备成为人们生活不可缺少的重要组成部分，在人们生产、生活中发挥着重要价值及功能。MEMS 作为信息技术与制造技术变革的重要支撑技术，它的出现推动了半导体技术的跨越式发展及实质化变革，深刻影响着科学技术、产业及经济。据此，本文以 MEMS 微继电器及关键问题进行研究，首先详尽阐释了 MEMS 内涵及特征，继而论述了现阶段 MEMS 微继电器发展的关键问题。

关键词：MEMS；微继电器；关键问题；研究与分析

引言：

MEMS 并非传统机械电子系统的直接微型化，它在制造工艺、工作原理及材料性质等方面都与传统机械电子特性存在显著差异，从客观角度来看，MEMS 是微电子技术与多元学科交叉形成的新型技术， 它的出现与发展势必会对学科、技术、理论造成全新变革。MEMS 技术不仅涉及元器件及系统的设计，更是在集成、制造、控制、测试、封装及连接等技术有较高要求，同时涵盖电子学、化学、物理学、生物学、材料学、机械学及控制学等多元学科，深入研究MEMS 微继电器及关键问题，有利于促进相关学科及技术的发展。

1MEMS 内涵及特征

1.1MEMS 的内涵及发展

Micro Electro Mechanical System（微电子机械系统）亦被称为Microsystem（微系统），它的出现掀起了学术研究的一大浪潮。继上世纪六十年代集成电路技术后，成为微电子学领域的大成就。从本质角度来看，MEMS 是依托集成电路工业技术演化形成的全新技术，通过硅及其他材料上制作微型传感器、执行器及微结构。工作原理如图1 所示。MEMS 技术的研究已成为国际学科领域研究的沸点，各国都将MEMS 技术的研究作为国家科技发展及进步的顶层设计。

图 1 MEMS 工作原理

1.2MEMS 特征

MEMS 技术的三个最显著的特征是微型化（Miniaturization）、多样化（Multiplicity）、集微电子技术（Microelectronics）于一体。具体如下：

1）微型化。微型化主要体现在 MEMS 工艺的最小尺寸在微米范围内，这与一般的宏观（Macro）概念不同，在 1~1000 微米范围内都可以被检测到，但也不能进入物理微观层。

2）多样化。多样化泛指 MEMS 装置除了可以处理电信号外，还可以处理“机械”信号。从这个角度来看，“机械”不仅限于狭义的机械力学。其作用包括传递，包括力、热、声、光、磁、化学及生物学等一系列功能的影响。生化变数等从广义上讲，MEMS 是一种传感器（Transducer），它是把能量从一种形式转变成另一种形式的过程[1]。

3 集微电子技术。MEMS 的制造通常以（但不限于）硅微加工技术为基础，它使用微电子芯类似片状的金属板印刷工艺，可进行大规模、低成本的生产。一般性价比高于传统产品机械制造工艺有了很大的提高。此外，MEMS 是用来制造微机械和集成电路集成的微型智能感应系统，国际 MEMS 是将微电子技术和精密加工技术相结合而产生的物体，具有微型化和集成化的特征。

2MEMS 微继电器关键问题研究

MEMS 应用涉及航天、军事、生物学航天领域中，医疗工程、通信、家庭电子等领域都能生产微型、高精度的微细微量防卫与军事领域，测量系统、微型卫星系统、全球卫星定位系统，可以制成微型、灵巧武器、微型遥控装置、引导装置等用于侦察、干扰和通信的装置生物医学领域，有各种各样的微型探针和治疗仪，能深入人体内部和器官枪支、微型便携式诊断和检测仪器、生物芯，能够分析和测定DNA 薄片等[2]；在人们的日常生活中，可以用数码显微镜设备制作高清晰的高清晰度。彩色投影机、高保真微型话筒、音响系统、可视电话等。因此可以看出，MEMS 应用前景非常广阔市场潜力很大。但值得注意的是，虽然 MEMS 微继电器技术具有良好发展前景，但从实质中发现它的发展与研究仍存在诸多关键问题，具体如下：

2.1研究较晚

目前，中国 MEMS 微继电器产业仍处于起步阶段。同时具有一定知名度和出货能力的国内 MEMS 企业还不多，MEMS 微继电器产品在精度、灵敏度等性能指标上与国外相比还有较大差距，应用范围也局限于传统领域。数据调查显示传感器产品几乎 100%为国外、中高档产品，90%为国外产品。造成这一现象的主要因素在于MEMS 行业起步较晚。据此，建议国内学者应加大对 MEMS 微继电器的研究力度， 以此促进我国MEMS 微继电器研究不断发展，推动MEMS 行业的进步。

2.2加工工艺

对于 MEMS 产业的设计、制造、封装等各个环节，国内尚缺乏MEMS 自主研发和产业化的相关关键技术。我国目前尚无一套具有自主知识产权的传感器设计软件，国产传感器的可靠性也远不如国外同类产品；MEMS 制造能力较弱，具有一定规模的设计企业基本选择国外代工厂，国产 MEMS 封装尚未形成系列、标准和统一。较为常见的即使没有统一的加工标准和程序，甚至不存在装备的不同，加工工艺也不同，这实际上是 MEMS 商品化过程中的一个限制因素。对此， 我国相关工作者应加大研发力度，对 MEMS 微继电器的加工工艺加以优化，以提高工艺水准。

2.3CAD 工具方面

从实质角度来看，我国不具备 MEMS 工艺模拟的良好 IC 过程模拟软件也可以用于 MEMS 工艺模拟，但 IC 过程模拟器一般只能模拟平面工艺，不能模拟 MEMS 中的一些特殊工艺，例如键合、三维立体加工 CAD 工具设计，现有 ANSYS，Cove ntorWare 和像 Memscap 这样，分析单个设备的效率和效率更高，但用于系统级模拟尽管目前还有 NODAS、Sugar 和 CoventorWare 公司的 Architect 等公司，但在系统级模拟方面，这些工具的功能尚不完善。在 CAD 选择方面可优化选择 MCNC。MCNC 的多用户 MEMS 工艺（MUMPS）为开发用于MEMS 设计工具提供低成本途径。MCNC 同样开发了用于集成 MEMS 器件的Smart MUMPS 和用于高宽深比的LIGA MUMPS。

结 论 ：

综上所述，我国 MEMS 传感器产品大部分是传统 MEMS 应用领域，技术相对成熟，市场格局稳定，而新兴领域的 MEMS 产品在测量精度、温度特性、响应时间、可靠性等方面与国外差距较大，且产品结构不够完善。MEMS 器件比宏观机器小得多，其中一些宏观物理定律对于 MEMS 领域，典理论已不再适用，还需要进一步深入研究。

参考文献：

[1]吴晓燕，李军，赵守彬，等.微继电器在煤矿机械中研究现状和发展趋势[J].煤炭技术，2016，35（05）：275-276.

[2]黄虎，尤政，阮勇，等.MEMS 继电器典型结构及其研究进展

[J].传感器与微系统，2011，30（07）：1-4+9.

作者简介：陈芳靖（1973-3），女（汉族），河南商丘人，硕士，任职于中山职业技术学院，副教授，研究方向：工业控制。

陈赫（1992-12），男（汉族），甘肃白银人，学士，就读于上海工程技术大学，研究方向：机械电子方向。