MSMS的发展在线视频

MEMS是一个新的学科领域

也是一个新的工业领域

它的发展时间

大概只有60年左右的时间

我们来看MEMS的发展

MEMS的发展大体上

是从20世纪的50年代开始

我们现在可以

把20世纪50年代叫做MEMS的萌芽时期

60年代是MEMS的起步时期

到了70年代MEMS开始比较快速的成长

到了80年代是MEMS的高速的发展时期

那么20世纪90年代

MEMS进入到了一个更加壮大的阶段

那么进入到一个新的世纪

可以说MEMS完全处于一个辉煌的时期

仙童公司实现了第一个平面集成电路

由此集成电路进入了

一个爆炸式的成长阶段

可以说MEMS的早期发展

与集成电路的早期发展

基本上时间是一致的

比如说1958年在德州仪器

第一个集成电路诞生的时候

Kurtz博士在美国成立了

第一个硅基传感器公司

这个传感器公司叫Kulite

今天他仍旧是传感器领域里

特别是高温压力传感器领域里

世界著名的产品生产商

那么他成立这个公司是

通过许可Bell实验室的专利

来生产硅的应变器件

在那个时候硅的制造技术

还没有充分的发展

因此硅的应变器件

是靠机械切削的办法

所切割出来的硅条来实现的

我们来看这个照片

这就是当初切削硅条

所实现的硅的硬件器件

这个照片是Kurtz博士

这个照片是Kulite

最开始成立的时候公司大门的照片

在50年代

Bell实验室发现硅的压阻效应的同时

他们也发现了

碱金属溶液对硅的不同的晶向

具有不同的腐蚀特性

那么这个成为

后来湿法各向异性刻蚀硅的基础

在1959年到1961年

Bell实验室先后报道了

用氢氟酸和硝酸混合溶液

来实现硅的各向同性刻蚀

这样的一个技术

那么这也奠定了

后续的硅的湿法

各向同性刻蚀的一些发展

在50年代一件非常重要的事情

是在1959年的时候

著名的物理学家

Feynman在美国加州的

喷气推进实验室

所召开的美国物理学年会上

做了一个标题为

There is plenty of room

at the bottom的一个演讲

在这个演讲过程中

Feynman博士提出了

在一个很小的面积上

来印刷或者刻蚀

很多字和图书这样的一个想法

提出了在原子尺度来

操作原子的这样一个想法

也提出了微小的马达

来促进血液流动这样的一个想法

那么这些想法直接

促进了MEMS纳米技术

量子计算

分子自组装等技术领域的诞生

可以说这一个演讲是

具有划时代意义的

它甚至于改变了今天人类社会的脚步

Feynman博士不仅是著名的物理学家

他在1963年获得了诺贝尔奖

他还是1988年

美国挑战者号升空以后

爆炸事故调查委员会的主任

同时据说他还非常喜欢开密码锁

到了20世纪60年代

在前面发展的基础上

开始出现简单的硅微的传感器

这里边比较典型的事例

1961年Bell实验室

首先申请了一个

以硅结构作为承载单元

在上面扩散压阻这样的一个想法

它以这个想法申请了美国专利

那么Kulite公司利用这样的

一个专利首先实现了

一个压阻式的压力传感器

他是在一个硅的膜片上扩散压阻

再把膜片

固定在一个圆环的支撑基底上

这个图就是这个示意图

我们来看出一个很薄的硅片

有扩散的压阻

当时的引线

然后一个圆环型的支撑基底

1962年Honeywell公司

第一次实现了

以各向同性技术刻蚀的硅薄膜

1966年Honeywell公司

又开发了用机械切削的办法

在一个体硅材料上

深钻一个孔洞以后留下一层薄膜

来作为压力的承载薄膜

那么除此以外

那么1971年Kulite公司

首先又开发了

第一个硅的加速度传感器

并且采用各向同性技术来

制造了压力传感器

那么体加工技术的发展

主要表现在湿法各向异性刻蚀上

在这里边Bell实验室

做出了突出的贡献

比如说在1966年到1970年之间

Bell实验室先后发表一系列的论文

报道了氢氧化钾刻蚀硅的一些技术

这些论文成为后续

完善氢氧化钾各向异性刻蚀的基础

那么1967年Bell实验室

又发现了利用有机的碱溶液EDP

也可以实现硅的各向异性刻蚀

EDP在发现以后的相当长一段时间里

由于它非常好的刻蚀稳定性

吸引了全世界的注意

但是近年来

由于它对环境的污染

和可能的致癌性已经逐渐被淘汰

在体加工技术发展的时候

1960年美国西屋公司

首先利用表面微加工技术

实现了一个可以谐振的机械结构

那么这个机械结构

可以作为谐振的晶体管使用

虽然在60年代这个器件的出现

标志着表面微加工技术的出现

但实际上由于

并没有足够的注意力吸引到

这个上面来

所以表面技术的发展

比体微加工技术的发展要晚很多

那么1969年

就提出了阳极键合技术

这是后续压力传感器

能够快速发展一个很重要的原因

到了70年代

由于各向异性刻蚀技术的完善

压力传感器产品开始走入市场

比如说1976年

Kulite用各向异性刻蚀

来制造压力传感器

那么1979年IBM

首先实现了氟化氙对硅的各向同性刻蚀

那么这个技术

沉寂相当长的一段时间以后

近年来得到了非常广泛的应用

同时传感器技术

也表现出非常多样性的一些特点

比如说1971年

美国Case Western Reserve University

第一个实现了电路集成的压力传感器

那么1977年

斯坦福大学研制出

第一个电容式的压力传感器

1978年斯坦福大学

又研制成功

第一个压阻式的加速度传感器

那么1978年

加州大学伯克利分校

研制成功

第一个电容式的加速度传感器

那么这个是斯坦福大学

研制成的第一个

压阻式压力传感器的结构图

它的基本结构敏感机理

跟我们今天所使用的

压阻式加速传感器完全一样

那么70年代

除了简单的压力和加速传感器以外

MEMS已经开始向不同的领域扩张

比较典型的代表是

1975年斯坦福大学

已经开始实现了神经探针

实现了气相色谱器件

虽然这个气相色谱器件实现的很早

但是当时并没有引起广泛的注意

那么1977年和1979年

IBM公司和惠普公司

先后实现了热驱动的喷墨打印机喷头

在这样的一个技术的基础上

从80年代开始

喷墨打印机技术逐渐实用化

到90年代在全世界迅速的发展起来

直到相当长的一段时间

喷墨打印机头一直

是MEMS领域里非常重要的产品之一

那么到20世纪的70年代末

出现了全世界的

第一轮MEMS产业化的高潮

这个主要是

以汽车压力传感器

和医疗用的压力传感器

特别是微创手术用的

一次性可抛弃压力传感器

作为主要的牵引力

尽管前面讲到了

很多压力传感器的生产

但是真正开始大批量生产

独立式压力传感器的

是1974年美国国家半导体公司

当然这个公司现在已经被收购

到70年代末开始Honeywell公司

和Motorola以及

飞利浦等都分别推出了

自己的压力传感器产品

进入到80年代

MEMS进入到了一个高速的发展时期

80年代里最重要的事件

是表面微加工技术的诞生

在80年代初

表面微加工技术

在加州大学伯克利开始慢慢的发展

那么它的标志性的事件

是1983年所实现的第一个多晶硅器件

它是以多晶硅作为器件的结构层

以二氧化硅作为器件的牺牲层

所实现的一个谐振器式的结构

在这样的一个技术基础上

伯克利先后在1988年和1989年

报道了一个静电驱动的旋转马达

和横向运动的梳状插指

这个可以旋转的马达

是整个MEMS领域里边的

里程碑式的事件

让人们第一次看到了

MEMS可以实现

一个在某一个坐标轴上

可以无限制运动下去的

这样的一个器件

那么它就具有了

传统机械所具有的功能

因此旋转马达的诞生促进了

全世界在MEMS领域里大量的资金

人力物力的投入

也促使了后来90年代

MEMS的高速发展

除了表面微加工技术

那么新的制造技术也在不断的出现

1982年在德国的卡尔斯鲁厄

诞生了LIGA技术

这个技术结合了

传统机械加工和微加工的共同特点

但是由于需要采用高能的光束

才能进行光刻

这个技术发展一直比较缓慢

近年来采用紫外光

进行LIGA光刻的技术的发展

才使它又一次得到了广泛的应用

那么1986年东芝公司

首先实现了硅片直接键合技术

那么这一技术的发展

对后续SOI等不同技术领域里

起到了重要的推动作用

同时在80年代MIT已经开始了

MEMS计算机辅助设计

也就是CAD的工作

在MEMS制造技术发展的同时

它的新器件也不断的涌现

1980年IBM的K. Petersen

第一个实现了可扭转的微镜

那么这为后续光通信

以及光控制的发展奠定了一个基础

1983年基于硅结构

和氧化锌压电材料的麦克风

第一次出现

那么1986年第一个电容式的

麦克风就已经出现了

这为后续硅微麦克风的发展

奠定了基础

1983年Honeywell

第一次实现了一个可以一次性使用

也就是可抛弃的集成型的血压传感器

1983年IBM苏黎士研究中心的研究人员

发表了扫描探针显微镜的研究成果

这个成果在1986年获得了诺贝尔物理奖

这是整个诺贝尔奖

历史上从成果公布到获奖

最短时间的记录只需要三年

1987年美国Draper实验室

实现了第一个微加工的平面陀螺

那么随后的十年里陀螺技术快速的发展

使我们今天能够享受到

MEMS陀螺所带来的好处

1988年Nova sensor公司

实现了键合的压力传感器

这个照片就是IBM的Petersen

那么下一个图是扫描探针

显微镜的一个工作原理

80年代注定是MEMS非常重要的一个阶段

因为在这里面产生了很多有影响的事件

1982年IBM的Petersen发表了一篇论文

论文的标题是

Silicon as a Mechanical Material

那么从这篇论文开始

硅在MEMS加工领域里的主流材料地位

得以确立

硅的很多加工制造方法

和电学力学特性

在这篇论文里都得到了充分的体现

1983年Feynman

又一次在美国喷气推进实验室

做了一次演讲

在这次演讲里

他回顾了他1959年演讲之后

到他第二次演讲期间

所实现的一些技术进展

并且进一步阐述了

一些超导量子计算等新的方向

那么1985年

IBM的Petersen创建了Nova Sensors公司

这个公司

在MEMS传感器领域里

有非常重要的地位

现在已经被美国通用电器公司收购

1985年惠普实验室的

Barth提出了用表面微加工

这样的一个名词

来表示如何在硅片上方通过牺牲层技术

来制造结构这样的一个工艺流程

这也是表面微加工第一次确定下来

1986年Utah大学

在给DARPA的一个项目建议里

首次使用了MEMS这一个词

这是今天我们能够检索到的

最早的将MEMS写在书面上的一份文献

因此我们一般认为

1986年是MEMS这一名词

第一次出现的年代

1987年在美国

召开了第一届Transducers国际会议

同年在美国召开的

另一个IEEE的国际会议上

有几十个会议的与会人员

在共同讨论这个新方向

到底起个什么名字

最后来自伯克利的

Rager Howe建议就用MEMS

作为这一个新的领域的名字

并且得到了大家的广泛认同

因此我们说在1986年

Utah大学第一次使用了MEMS这一个名字

到1987年MEMS这个名字

开始被学术界广泛认可

1989年在上述会议的基础上

在美国召开了

第一届IEEE MEMS的国际会议

那么这个会议一直维持到今天

是MEMS领域里最高水平的学术会议之一

到了20世纪的90年代

MEMS进一步的

以一个更快的速度壮大和发展

这里边最重要的事情

是1996年德国的Bosch公司

发明了ICPDRIE技术

也就是利用干法实现硅的深刻蚀技术

我们今天的很多MEMS器件

都依赖于这样的一个技术制造实现的

同时MEMS在射频 生物 光学等领域里的

应用也不断拓展

比如说Honeywell在90年代初

实现了微加工技术的非制冷焦平面阵列

那么这一技术路线一直是

今天非制冷化焦平面技术的主要路线