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微机电系统 MEMS 是如何制造的？

文章编辑：深圳市广陵达科技有限公司发表时间：2026-05-18 18:33:33

微机电系统 (MEMS) 已成为许多行业的支柱技术，其市场规模只会持续增长。 MEMS 是同时使用机械和电子部件的小型设备。这些设备已经存在了几十年，并已成为一个价值数十亿美元的产业。 MEMS 的定义特征之一是它不是单一设备或单一产品；相反，MEMS 的概念是可以创建不同微型系统的制造技术和设计流程的组合。 MEMS 的另一个关键特征是它们不是现成的产品，而是根据其预期应用进行设计和定制。在这里，我们看看如何使用这些工艺创建不同的 MEMS。

什么是微机电系统？

MEMS 是电子和机械元件的组合，它们协同工作以创建具有特定功能的小型集成设备。 MEMS 有多种形状和尺寸，并且系统内可以有许多不同的材料和组件。为了将这些系统归类为“微型”系统，MEMS 的各个组件必须达到微米级。然而，根据构建功能设备的组件数量，完整 MEMS 设备的尺寸范围可以从几微米一直到毫米尺寸的设备。

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虽然有许多使用 MEMS 的特定设备，但所有 MEMS 设备都包含机械微结构、微传感器、微执行器和微电子学的某种组合，所有这些都集成在硅芯片上。在这些通用组件区域内，MEMS 设备背后有许多特定组件，包括杠杆、齿轮、活塞和电机，这些组件赋予了 MEMS 设备总体特性。这些单独的组件由许多不同类型的材料制成，具体取决于预期功能，通常包括以下内容：

• 硅

• 硅基材料，如氧化硅、氮化硅和碳化硅

• 金属薄膜

• 聚合物

• 玻璃

• 熔融石英基板

• 钻石

• 砷化镓

• 其他III-V族化合物半导体及形状记忆合金

MEMS 可能的组件组合意味着所创建的设备可以在微观层面上进行传感、控制和驱动，但可以在宏观层面上显示操作效果。请记住，宏输出是协同工作以执行特定功能的各个微观组件的总和。由于构成 MEMS 设备的组件非常多，因此 MEMS 的应用范围很大，但通常包括跨一系列技术和科学行业的不同类型的传感器、执行器和换能器。

MEMS 制造方法

MEMS 器件具有广泛的潜在材料和大量可集成的组件，因此可以采用多种制造方法来构建这些器件。一般来说，电子元件是使用集成电路批量加工方法制造的，而机械零件是使用微加工方法制造的。即便如此，由于工艺工具和高精度微加工方法（包括光刻和非光刻方法）的进步，现在有一系列先进的制造技术可用。

用于制造 MEMS 的微机械加工方法与传统机械加工方法类似，因为它们定义了材料的特定特征。然而，两者之间存在一些差异，微机械加工能够在同一晶圆上同时制造数千个相同的特征，并且能够同时处理许多晶圆。另一个主要区别是，微加工方法可以在材料中产生比传统加工方法更小的特征——至少小一个数量级。

就常见和更基本的微加工工具而言，有多种方法可供使用。例如，外延、溅射、蒸发、化学气相沉积和旋涂制造方法都用于沉积半导体、金属、绝缘体和聚合物的薄层。

另一方面，光刻方法用于在 MEMS 组件顶部印刷光敏聚合物层，以便可以在微米尺度上蚀刻它们以创建特定的图案和特征。就蚀刻工艺本身而言，湿法和干法蚀刻方法都用于MEMS器件的生产。干法蚀刻比电化学蚀刻更流行，等离子体蚀刻、深度反应离子蚀刻和各向同性湿法蚀刻也用于选择性去除材料。

还有许多先进的加工方法不需要光刻技术即可在不同的 MEMS 材料和组件中创建特定的特征、图案和几何形状。其中一种方法是超精密机械加工，可以将硅和其他金属铣削成特征低于一微米的特定形状。这是一种重要的非光刻方法，因为它可以创建光刻方法无法实现的形状，例如具有平坦侧壁的逆行底切。

另一种先进的加工方法是激光加工，它可用于制造硅芯片，但也可用于从金属、陶瓷和塑料材料上烧蚀材料和/或在其中打孔。另一方面，超声波加工方法需要使用超声波来加工玻璃、陶瓷和金刚石等硬脆材料，而电火花加工则使用放电来腐蚀掉小块材料，但仅适用于导电材料。除了这些方法之外，还有其他较少使用的先进加工和材料去除技术，这些技术引入了小特征和图案，包括微接触印刷、纳米压印光刻和热压花。

除了基于机械加工的方法之外，还有许多其他先进的制造方法用于特定场景。例如，阳极键合方法用于将硅晶片连接到玻璃基板，而硅直接键合用于将两种硅材料熔合在一起。溶胶-凝胶沉积方法用于在 MEMS 组件上涂覆光吸收或折射率分级抗反射涂层。此外，电镀方法用于构建薄金属层，包括由金、铜、镍和镍铁制成的金属层。

结论

MEMS 是一组成熟的微型器件，已使用多年。当然，与任何成熟的技术一样，有许多制造工艺用于制造 MEMS 设备。 MEMS 生产的制造和制造范围比许多其他小型设备更广泛，因为需要使用许多不同的材料和组件来制造它们并使其发挥作用。正是这种不同制造方法的结合使得 MEMS 能够用于多种应用。随着制造方法变得更加先进，分辨率变得越来越窄，MEMS 设备中的特征越来越小，元件也越来越小。

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