微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS），也被稱為微機(jī)械、微系統(tǒng)、微機(jī)械或微系統(tǒng)技術(shù)（MST）。

MEMS元件的尺寸從微米到毫米不等。目前已經(jīng)是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷奈⑿拖到y(tǒng)，被應(yīng)用于在汽車、航天、生物醫(yī)學(xué)、噴墨打印機(jī)、無線和光通信等場景中。

針頭上的三個(gè)MEMS血壓傳感器

1965年，戈登-摩爾提出了一個(gè)觀點(diǎn)：自從20世紀(jì)40年代末發(fā)明了晶體管以來，集成電路上每平方英寸的晶體管數(shù)量每18個(gè)月就會(huì)翻一番。

摩爾表示：在可預(yù)見的未來，專注于小而不是大。

與晶體管一樣，人們在嘗試使機(jī)電系統(tǒng)方面也做了許多努力，以使其越來越小。

1959年，一個(gè)叫理查德-費(fèi)曼的人在他著名的演講中說得最清楚，演講題目就為："底部有大量空間"。他非常有興趣探討如何處理好"底層空間"的問題，并在小范圍內(nèi)控制事物。

戈登-摩爾和理查德-費(fèi)曼只是兩個(gè)預(yù)言了新興MEMS技術(shù)的聲音。而在MEMS發(fā)展的歷史上，有更多的科學(xué)研究者為推動(dòng)MEMS技術(shù)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

本文將完整梳理MEMS技術(shù)發(fā)展的時(shí)間軸，從從1947年制造的第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管開始，到1999年的光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)結(jié)束，50多年間，MEMS通過諸多創(chuàng)新，促進(jìn)了當(dāng)前MEMS技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展。

下面關(guān)于MEMS歷史上主要的35項(xiàng)里程碑，看看你知道多少？

MEMS器件的誕生發(fā)生在很多地方，通過一些人的想法和努力。當(dāng)然，每天都有新的MEMS技術(shù)和應(yīng)用被開發(fā)出來。以下是一個(gè)時(shí)間表，其中包括許多導(dǎo)致MEMS發(fā)展的努力。本課絕不包括所有開發(fā)MEMS技術(shù)和應(yīng)用的努力。它提供了一些里程碑，這些里程碑促進(jìn)了我們今天所知道的微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展。

1948年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明鍺晶體管（William Shockley）

1954年，鍺和硅的壓阻效應(yīng)(C.S.Smith)

1958年，第一塊集成電路(IC)(J.S.Kilby 1958年/Robert Noyce 1959年)

1959年，"底部有很多空間"（R.Feynman）

1959年，展示了第一個(gè)硅壓力傳感器（Kulite）

1967年，各向異性深硅蝕刻（H.A.Waggener等）

1968年，諧振門晶體管獲得專利（表面微加工工藝）（H.Nathanson等）

1970年，批量蝕刻硅片用作壓力傳感器（批量微加工工藝）

1971年，發(fā)明微處理器

1979年，惠普微加工噴墨噴嘴

1982年，"作為結(jié)構(gòu)材料的硅"（K.Petersen）

1982年，LIGA進(jìn)程(德國KfK)

1982年，一次性血壓傳感器（霍尼韋爾）

1983年，一體化壓力傳感器（霍尼韋爾）

1983年，"Infinitesimal Machinery"，R.Feynman。

1985年，傳感器或碰撞傳感器（安全氣囊）

1985年，發(fā)現(xiàn)"Buckyball"

1986年，發(fā)明原子力顯微鏡

1986年，硅片鍵合(M.Shimbo)

1988年，通過晶圓鍵合批量制造壓力傳感器（Nova傳感器）

1988年，旋轉(zhuǎn)式靜電側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(Fan、Tai、Muller)

1991，年多晶硅鉸鏈（Pister、Judy、Burgett、Fearing）。

1991年，發(fā)現(xiàn)碳納米管

1992年，光柵光調(diào)制器（Solgaard、Sandejas、Bloom）

1992年，批量微機(jī)械加工（SCREAM工藝，康奈爾）

1993年，數(shù)字鏡像顯示器（德州儀器）

1993年，MCNC創(chuàng)建MUMPS代工服務(wù)

1993年，首個(gè)大批量生產(chǎn)的表面微加工加速度計(jì)（Analog Devices）

1994年，博世深層反應(yīng)離子蝕刻工藝獲得專利

1996年，Richard Smalley開發(fā)了一種生產(chǎn)直徑均勻的碳納米管的技術(shù)

1999年，光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（朗訊）

2000年代，光學(xué)MEMS熱潮

2000年代，BioMEMS激增

2000年代，MEMS設(shè)備和應(yīng)用的數(shù)量不斷增加。

2000年代，NEMS應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展

1947年發(fā)明點(diǎn)接觸晶體管(鍺)

1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功地制造了第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管。這種晶體管利用了一種半導(dǎo)電的化學(xué)元素--鍺。

這項(xiàng)發(fā)明證明了用半導(dǎo)體材料制造晶體管的能力，使電壓和電流得到更好的控制。它也為制造越來越小的晶體管打開了大門。鍺NPN生長結(jié)晶體管的專利是由William Shockley在1948年申請的。

第一個(gè)晶體管高約半英寸，與今天的標(biāo)準(zhǔn)相比，無疑是巨大的。今天，科學(xué)家可以制造出直徑約為1納米的納米晶體管。作為參考，一根人類的頭發(fā)大約是60-100微米。

第一臺點(diǎn)接觸晶體管和測試儀器(1947年)

　1954年發(fā)現(xiàn)硅和鍺的壓阻效應(yīng)

1954年，C.S.Smith發(fā)現(xiàn)了硅、鍺等半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體的這種壓阻效應(yīng)可以比金屬的幾何壓阻效應(yīng)大幾個(gè)數(shù)量級。這一發(fā)現(xiàn)對MEMS很重要，因?yàn)樗砻鞴韬玩N比金屬更能感知空氣或水的壓力。

由于發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體中的壓阻效應(yīng)，1958年開始商業(yè)化開發(fā)硅應(yīng)變片。1959年，Kulite公司成立，成為裸硅應(yīng)變片的第一個(gè)商業(yè)來源。

利用金屬的壓阻效應(yīng)的壓力傳感器（MTTC壓力傳感器）

　1958年，第一塊集成電路（IC）的發(fā)明

當(dāng)晶體管被發(fā)明出來時(shí)，每個(gè)晶體管的實(shí)際大小是有限制的，因?yàn)樗仨毰c電線和其他電子器件相連。因此，晶體管的縮小陷入了停滯狀態(tài)，直到"集成電路"的出現(xiàn)。

集成電路將包括晶體管、電阻、電容和電線，以滿足特定的應(yīng)用需求。如果一個(gè)集成電路可以在一塊基板上全部制作完成，那么整個(gè)器件就可以變得更小。

幾乎在同一時(shí)間，有兩個(gè)人獨(dú)立開發(fā)了集成電路。

1958年，在德州儀器公司工作的Jack Kilby建立了一個(gè)"固體電路"的工作模型。這種電路由一個(gè)晶體管、三個(gè)電阻和一個(gè)電容組成，全部裝在一個(gè)鍺片上。

德州儀器首款集成電路

不久之后，飛兆半導(dǎo)體公司的羅伯特-諾伊斯做出了第一個(gè)"單元電路"。這種集成電路是在硅芯片上制作的。1961年，羅伯特-諾伊斯獲得了第一個(gè)專利。

　1959年"底部有很多空間"

理查德-費(fèi)曼

1959年，在美國物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上，一個(gè)叫理查德-費(fèi)曼的人以一篇題為"底部有足夠的空間"的著名的開創(chuàng)性演講普及了微觀和納米技術(shù)的發(fā)展。

他在演講中提出了一個(gè)問題："為什么我們不能把整整24卷的《大英百科全書》寫在針頭上？"他提出了如何在這么小的面積上寫出這么多文字，以及如何閱讀的方法。

費(fèi)曼提出了在原子尺度上操縱物質(zhì)的可能性。他尤其對密度更大的計(jì)算機(jī)電路，以及能看到比掃描電子顯微鏡小得多的東西的顯微鏡感興趣。他建議建造可以被吞下的微小機(jī)器人來進(jìn)行外科手術(shù)的可能性。

費(fèi)曼談到了在原子尺度上工作時(shí)將出現(xiàn)的新的物理挑戰(zhàn)。重力將變得不那么重要，而表面張力和范德瓦爾斯吸引力將變得更加重要。

在這篇著名演講的最后，他向他的聽眾提出挑戰(zhàn)，要求他們設(shè)計(jì)和制造一個(gè)微小的馬達(dá)，并將書本上一頁的信息寫在一個(gè)線性尺度小1/25,000的表面上。對于每一項(xiàng)挑戰(zhàn)，他都提供了1000美元的獎(jiǎng)金。

他在一年內(nèi)頒發(fā)了微型馬達(dá)獎(jiǎng)，1985年，斯坦福大學(xué)的一名學(xué)生因?qū)ⅰ峨p城記》的第一段，縮小了1/25000而領(lǐng)取了獎(jiǎng)金。

之后挑戰(zhàn)一直繼續(xù)，自1997年起，前瞻納米技術(shù)研究所每年都會(huì)頒發(fā)納米技術(shù)費(fèi)曼獎(jiǎng)，獎(jiǎng)勵(lì)那些最能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼納米技術(shù)目標(biāo)的研究人員。

　1968年，諧振門晶體管獲得專利

1964年，由Harvey Nathanson領(lǐng)導(dǎo)的西屋公司的一個(gè)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出了第一個(gè)批量制造的MEMS器件。這種器件將機(jī)械元件與電子元件連接在一起，被稱為諧振柵極晶體管（RGT）。

諧振門晶體管

RGT是一種金諧振MOS柵極結(jié)構(gòu)。它大約有一毫米長，對非常窄的電輸入信號有反應(yīng)。它作為集成電路的頻率濾波器，只將設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的信號傳輸?shù)捷敵鲭娐?，而忽略所有其他頻率。

RGT與傳統(tǒng)的晶體管不同，它不是固定在柵極氧化層上的。相反，它是可移動(dòng)的，并且相對于基片是懸臂式的。靜電吸引力控制了柵極和基片之間的距離。RGT是最早的微靜電致動(dòng)器示例。它也是表面微加工技術(shù)的第一次演示。

1971年，微處理器的發(fā)明

1971年，一家名為英特爾的公司公開推出了世界上第一個(gè)單芯片微處理器--英特爾4004。4004為Busicom計(jì)算器提供了動(dòng)力，是英特爾的第一個(gè)微處理器。這項(xiàng)發(fā)明為個(gè)人電腦鋪平了道路。

英特爾4004微處理器和Busicom計(jì)算器

　20世紀(jì)60年代和70年代，用于壓力傳感器的批量蝕刻硅片的擴(kuò)散

20世紀(jì)60年代初，硅晶體管的制造帶來了硅的各向同性蝕刻工藝。各向同性蝕刻使用化學(xué)工藝將材料從基片上去除。由于蝕刻速率在所有方向上都是均勻的，因此材料在所有方向上都被同樣去除。

在20世紀(jì)60年代末70年代初，H.A.Waggener發(fā)表了一篇題為"Electrochemically Controlled Thinning of Silicon"的論文，說明了硅的各向異性濕法蝕刻。

濕式各向異性蝕刻與濕式各向異性蝕刻的不同之處在于，材料的電化學(xué)去除取決于硅晶體的結(jié)晶取向。對于不同的晶體平面，蝕刻速率（單位時(shí)間內(nèi)去除的材料量）變化很大。然后，硅可以被選擇性地蝕刻掉，形成各種結(jié)構(gòu)，包括V形槽、金字塔形網(wǎng)格和微腔。

電化學(xué)各向異性蝕刻在微系統(tǒng)制造中非常重要，因?yàn)樗桥课⒓庸すに嚨幕A(chǔ)。散件微加工蝕刻掉硅基底相對較大的部分，留下所需的結(jié)構(gòu)。自誕生以來，批量微加工一直是一種非常強(qiáng)大的方法，用于制造微機(jī)械元件，如微流體通道、噴嘴、膜片、懸掛梁和其他移動(dòng)或結(jié)構(gòu)元件。

在20世紀(jì)70年代，IBM研究實(shí)驗(yàn)室的Kurt Peterson開發(fā)了一種使用硅膜片的微機(jī)械壓力傳感器。與當(dāng)時(shí)的其他膜式壓力傳感器相比，薄膜片允許更大的變形，因此靈敏度更高。這種薄型膜片壓力傳感器在血壓監(jiān)測設(shè)備中大量應(yīng)用，可以說是微系統(tǒng)設(shè)備最早的商業(yè)成功之一。

1979年，惠普微加工噴墨噴嘴

1979年，惠普公司提出了一種替代點(diǎn)陣打印的技術(shù)，稱為熱噴墨技術(shù)（TIJ）。這種打印技術(shù)能迅速加熱墨水，產(chǎn)生微小的氣泡。

當(dāng)氣泡彈出時(shí)，墨滴就會(huì)通過噴嘴噴出；這些噴嘴陣列是整個(gè)噴墨打印頭的一部分，可以在紙張和其他介質(zhì)上快速創(chuàng)建圖像。硅微加工技術(shù)被用于制造噴嘴。這些噴嘴做得非常小，而且密度很大，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率打印。自從惠普公司首次提出TIJ以來，一直在改進(jìn)，使噴嘴更小，密度更高，以提高分辨率?，F(xiàn)在的許多打印機(jī)都采用了熱噴墨技術(shù)。

(左)噴墨噴嘴陣列示意圖(右)商用噴墨打印機(jī)噴頭特寫圖

　　1982年引入LIGA程序

20世紀(jì)80年代初，德國卡爾斯魯厄核研究中心的一個(gè)團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種名為LIGA的新工藝。LIGA是X射線光刻（X-ray Lithographie）、電鍍（Galvanoformung）和成型（Abformung）的德語縮寫。

這種工藝在微系統(tǒng)制造中非常重要，因?yàn)樗梢灾圃旄呖v橫比的微結(jié)構(gòu)。高縱橫比結(jié)構(gòu)是指非常薄，或窄而高的結(jié)構(gòu)，如通道。LIGA可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)100:1的比值，LIGA結(jié)構(gòu)具有精確的尺寸和低表面粗糙度。

LIGA微加工齒輪的微型電磁馬達(dá)

　1982年"作為機(jī)械材料的硅"

1982年，Kurt Petersen撰寫的一篇論文發(fā)表在電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）的出版物上。該論文題為"硅作為一種機(jī)械材料"。該論文提供了有關(guān)硅的材料特性和蝕刻數(shù)據(jù)的信息，并在吸引科學(xué)界進(jìn)入這些領(lǐng)域的探索方面發(fā)揮了重要作用。它是MEMS領(lǐng)域被引用最多的文章之一。

　1986年發(fā)明原子力顯微鏡(AFM)

原子力顯微鏡上的懸臂裝置

1986年，來自IBM的科學(xué)家們開發(fā)了一種名為原子力顯微鏡（AFM）的微型設(shè)備。原子力顯微鏡是一種通過測量作用在一個(gè)末端帶有尖銳尖端或探針的微型懸臂尖端上的力來繪制原子結(jié)構(gòu)表面的裝置。懸臂通常是硅或氮化硅。AFM的最終分辨率低至約10?。

　20世紀(jì)80年代微系統(tǒng)的其他發(fā)展情況

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了許多發(fā)展和新的應(yīng)用。1988年，加州大學(xué)伯克利分校制造出第一臺旋轉(zhuǎn)式靜電側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。1989年出現(xiàn)了橫向梳狀驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)橫向移動(dòng)到表面。

(左)第一臺旋轉(zhuǎn)式靜電側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，(右)側(cè)梳驅(qū)動(dòng)

　1992年SCREAM工藝（康奈爾大學(xué)）

1992年，康奈爾大學(xué)開發(fā)了一種稱為單晶反應(yīng)蝕刻和金屬化（SCREAM）的批量微加工工藝。它是為了從單晶硅和單晶砷化鎵（GaAs）中制造釋放的微結(jié)構(gòu)而開發(fā)的。

　1992年光柵光調(diào)制器光柵光閥

可變形光柵光調(diào)制器(GLM)是由O.Solgaard在1992年推出的。它是一種微型光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）。自問世以來，它已被開發(fā)用于各種應(yīng)用，如顯示技術(shù)、圖形印刷、光刻和光通信。

1993年MUMPs出現(xiàn)

使用MUMPs流程的兩個(gè)簡單結(jié)構(gòu)

1993年，北卡羅來納州微電子中心(MCNC)創(chuàng)建了一家代工廠，其目的是為了使微系統(tǒng)加工對廣大用戶來說具有高度的便利性和成本效益。它開發(fā)了一種名為MUMPs（MultiUser MEMS Processes）的工藝，這是一種三層多晶硅表面微加工工藝。自其誕生以來，已經(jīng)進(jìn)行了多次修改和增強(qiáng)，以提高該工藝在多用戶環(huán)境下的靈活性和通用性。

使用SUMMiT IV構(gòu)建的MEMS設(shè)備

1998年，另一家表面微加工鑄造廠開始了。這個(gè)是在桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開始的，這個(gè)工藝被稱為SUMMiT IV。這個(gè)工藝后來演變成了SUMMiT V，這是一種五層多晶硅表面微加工工藝。SUMMiT是"Sandia超平面、多層次MEMS技術(shù)"的縮寫。

　1993年第一臺大批量制造的加速度計(jì)

1993年，Analog Devices公司率先大批量生產(chǎn)表面微加工加速度計(jì)。此前，在20世紀(jì)80年代，TRW公司生產(chǎn)了一種傳感器，每只售價(jià)約20美元。而汽車行業(yè)在安全氣囊中使用了Analog Devices公司的加速度計(jì)，它的售價(jià)約為每個(gè)5美元。這使安全氣囊電子裝置的成本降低了75%左右。

Analog Devices加速度計(jì)的可靠性很高，體積很小，價(jià)格也很便宜。它的銷售量打破了記錄，增加了安全氣囊在汽車上的應(yīng)用。

今天，加速度計(jì)被發(fā)現(xiàn)在各種各樣的消費(fèi)產(chǎn)品中，包括安全和導(dǎo)航汽車系統(tǒng)、游戲控制器、移動(dòng)手機(jī)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　1994年，深層反應(yīng)離子蝕刻獲得專利

用DRIE蝕刻的溝

1994年，德國博世公司開發(fā)出一種特殊的深層反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）工藝。DRIE是一種高度各向異性的蝕刻工藝，用于在晶圓上開出深而陡的孔和溝槽。它是為需要這些特征的微型設(shè)備而開發(fā)的，但也用于為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的高密度電容器挖掘溝槽。

20世紀(jì)90年代末、2000年代初光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)

1999年，朗訊科技公司開發(fā)出第一臺MEMS光網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。光開關(guān)是一種光電器件，由一個(gè)光源和一個(gè)探測器組成，產(chǎn)生開關(guān)輸出。它在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中提供交換功能。

這些MEMS光開關(guān)利用微鏡，根據(jù)微鏡的相對角度，將光通道或信號從一個(gè)位置切換或反射到另一個(gè)位置。有幾種不同的設(shè)計(jì)配置。這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展仍在進(jìn)步。

20世紀(jì)90年代末、2000年代初生物MEMS技術(shù)蓬勃發(fā)展

胰島素泵

科學(xué)家們?nèi)栽诎l(fā)現(xiàn)將MEMS傳感器和執(zhí)行器與新興生物MEMS技術(shù)相結(jié)合的新方法。應(yīng)用包括藥物輸送系統(tǒng)、胰島素泵、DNA陣列、片上實(shí)驗(yàn)室(LOC)、血糖儀、神經(jīng)探針陣列和微流控技術(shù)等。生物MEMS領(lǐng)域的探索才剛剛開始。此時(shí)的研究和開發(fā)正以非?？斓乃俣冗M(jìn)行。

總結(jié)：

自晶體管發(fā)明以來，科學(xué)家們一直在努力改進(jìn)和開發(fā)新的微機(jī)電系統(tǒng)。最早的MEMS器件是測量發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力和汽車的運(yùn)動(dòng)等，但今天MEMS器件已經(jīng)被應(yīng)用于許多商業(yè)產(chǎn)品中，且新的應(yīng)用和更好的技術(shù)每天都在出現(xiàn)。

微系統(tǒng)還在不斷變小，并創(chuàng)造了一種新的技術(shù)——納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）。MEMS和NEMS的應(yīng)用和發(fā)展是無止境的，未來將繼續(xù)進(jìn)入我們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。