據相關(guān)數據顯示，在全球傳感器市場(chǎng)中，美國以29%市場(chǎng)份額占據全球傳感器市場(chǎng)占有率第一的寶座，這與美國一直以來(lái)對傳感器的高度重視密切相關(guān)。
美國是信息革命的源頭，作為現代信息科技的三大技術(shù)基石之一，傳感器一直被美國視為關(guān)鍵高科技技術(shù)。早在2004年，美國國家科學(xué)基金會(huì )（簡(jiǎn)稱(chēng)NSF）就發(fā)布了一篇極具前瞻性的特別報告——《傳感器革命》（The Sensor Revolution）。（如對該報告感興趣，可參看內容：美國國家科學(xué)基金會(huì )發(fā)布：傳感器革命）
MEMS（微機電系統）是傳感器領(lǐng)域具有革命性的技術(shù)，作為推動(dòng)美國傳感器教育普及的系列動(dòng)作之一，NSF資助了SCME（Support Center for Microsystems Education，微系統教育支持中心），旨在普及、支持MEMS教育工作。
本文翻譯自《MEMS歷史》（History of MEMS），為SCME的系列教育內容之一，全面地介紹了MEMS技術(shù)的發(fā)展歷史，涉及到MEMS關(guān)鍵技術(shù)節點(diǎn)和里程碑事件：包括最著(zhù)名的MEMS演講、硅阻效應的發(fā)現（這是MEMS壓力傳感器的基礎）、MEMS領(lǐng)域被引用最多的論文等內容，推薦大家了解！
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傳感器專(zhuān)家網(wǎng)（sensorexpert.com.cn）專(zhuān)注于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，致力于對全球前沿市場(chǎng)動(dòng)態(tài)、技術(shù)趨勢與產(chǎn)品選型進(jìn)行專(zhuān)業(yè)垂直的服務(wù)，是國內領(lǐng)先的傳感器產(chǎn)品查詢(xún)與媒體信息服務(wù)平臺?；趥鞲衅鳟a(chǎn)品與技術(shù)，對廣大電子制造從業(yè)者與傳感器制造者提供精準的匹配與對接。
微機電系統 (MEMS) 是存在于我們?常?活中的微型系統，MEMS 組件的尺?范圍從百萬(wàn)分之??（微?）到千分之??（毫?）。它們也被稱(chēng)為微機械、微系統、微機械或微系統技術(shù) (MST)。
MEMS由多種材料和工藝制造，使?的材料包括半導體、塑料、陶瓷、鐵
電、磁性和?物材料。
MEMS 被?作傳感器、執?器、加速度計、開(kāi)關(guān)、游戲控制器和光反射器等，這里僅舉?例應?。
MEMS?前?于汽?、航空航天技術(shù)、?物醫學(xué)應?、噴墨打印機、?線(xiàn)和光通信，并且每天都有新的用例出現。
1965 年，Gordon Moore進(jìn)?了?項觀(guān)察：?從 1940 年代末期發(fā)明晶體管以來(lái)，1950 年代末直到1960年代初，集成電路上每平?英?的晶體管數量每 18 個(gè)?翻?番，這?觀(guān)察是摩爾定律的基礎。Moore在此聲明中表?：在可預?的未來(lái)，技術(shù)將專(zhuān)注于更?，?不是更?。
Moore indicated that technology has and will for the foreseeable future concentrate on smaller, not bigger.
▲Gordon Moore
與晶體管?樣，?們?直在努?使機電系統做的越來(lái)越?。1959 年，?位名叫Richard Feynman 的?，在他的題為《底部有很多空間》（"Theres Plenty of Room at the Bottom）的著(zhù)名演講中，講解的最明了：他們告訴我，電動(dòng)?達的??只有你?指上的指甲那么?，這是?個(gè)?得驚?的世界。
Gordon Moore 和 Richard Feynman 只是預測越來(lái)越?的MEMS新興技術(shù)的科學(xué)家中的兩個(gè)例?。本文將討論 MEMS 領(lǐng)域出現的關(guān)鍵技術(shù)節點(diǎn)和里程碑事件。
▲針頭上的三個(gè)MEMS血壓傳感器
重要 MEMS ?程碑事件
MEMS 器件的誕?發(fā)?在許多地?，并通過(guò)許多人的努力。當然，現在每天都有新的 MEMS 技術(shù)和應?誕生。，其中包括導致 MEMS 開(kāi)發(fā)的許多努?。
以下是?個(gè)時(shí)間表，完整梳理MEMS技術(shù)發(fā)展的時(shí)間軸，從1947年制造的第一個(gè)點(diǎn)接觸晶體管開(kāi)始，到1999年的光網(wǎng)絡(luò )交換機結束，50多年間，MEMS通過(guò)諸多創(chuàng )新，促進(jìn)了當前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項里程碑，我們可以看到有許多知名實(shí)驗室、大學(xué)及企業(yè)為MEMS的發(fā)展做出了重要貢獻：
1948年，貝爾實(shí)驗室發(fā)明鍺晶體管(William Shockley)1954年，鍺和硅的壓阻效應(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(mén)晶體管獲得專(zhuān)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，"作為結構材料的硅"(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"Buckyball"1986年，發(fā)明原子力顯微鏡1986年，硅片鍵合(M.Shimbo)1988年，通過(guò)晶圓鍵合批量制造壓力傳感器(Nova傳感器)1988年，旋轉式靜電側驅動(dòng)電機(Fan、Tai、Muller)1991年，年多晶硅鉸鏈(Pister、Judy、Burgett、Fearing)。1991年，發(fā)現碳納米管1992年，光柵光調制器(Solgaard、Sandejas、Bloom)1992年，批量微機械加工(SCREAM工藝，康奈爾)1993年，數字鏡像顯示器(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(Analog Devices)1994年，博世深層反應離子蝕刻工藝獲得專(zhuān)利1996年，Richard Smalley開(kāi)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(朗訊)2000年代，光學(xué)MEMS熱潮2000年代，BioMEMS激增2000年代，MEMS設備和應用的數量不斷增加。2000年代，NEMS應用和技術(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電的化學(xué)元素--鍺。
這項發(fā)明證明了用半導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(lái)越小的晶體管打開(kāi)了大門(mén)。鍺NPN生長(cháng)結晶體管的專(zhuān)利是由William Shockley在1948年申請的。
第一個(gè)晶體管高約半英寸，與今天的標準相比，無(wú)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(lèi)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)現硅和鍺的壓阻效應
1954年，C.S.Smith發(fā)現了硅、鍺等半導體材料的壓阻效應。半導體的這種壓阻效應可以比金屬的幾何壓阻效應大幾個(gè)數量級。這一發(fā)現對MEMS很重要，因為它表明硅和鍺比金屬更能感知空氣或水的壓力。
由于發(fā)現了半導體中的壓阻效應，1958年開(kāi)始商業(yè)化開(kāi)發(fā)硅應變片。1959年，Kulite公司成立，成為裸硅應變片的第一個(gè)商業(yè)來(lái)源。
▲利用金屬的壓阻效應的壓力傳感器(MTTC壓力傳感器)
1958年，第一塊集成電路(IC)的發(fā)明
當晶體管被發(fā)明出來(lái)時(shí)，每個(gè)晶體管的實(shí)際大小是有限制的，因為它必須與電線(xiàn)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。
集成電路將包括晶體管、電阻、電容和電線(xiàn)，以滿(mǎn)足特定的應用需求。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)人獨立開(kāi)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(zhuān)利。
1959年"底部有很多空間"
▲Richard Feynman
1959年，在美國物理學(xué)會(huì )的一次會(huì )議上，一個(gè)叫Richard Feynman的人以一篇題為"底部有足夠的空間"的著(zhù)名的開(kāi)創(chuàng )性演講普及了微觀(guān)和納米技術(shù)的發(fā)展。
他在演講中提出了一個(gè)問(wèn)題："為什么我們不能把整整24卷的《大英百科全書(shū)》寫(xiě)在針頭上?"他提出了如何在這么小的面積上寫(xiě)出這么多文字，以及如何閱讀的方法。
費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算機電路，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器人來(lái)進(jìn)行外科手術(shù)的可能性。
費曼談到了在原子尺度上工作時(shí)將出現的新的物理挑戰。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(zhù)名演講的最后，他向他的聽(tīng)眾提出挑戰，要求他們設計和制造一個(gè)微小的馬達，并將書(shū)本上一頁(yè)的信息寫(xiě)在一個(gè)線(xiàn)性尺度小1/25,000的表面上。對于每一項挑戰，他都提供了1000美元的獎金。
他在一年內頒發(fā)了微型馬達獎，1985年，斯坦福大學(xué)的一名學(xué)生因將《雙城記》的第一段，縮小了1/25000而領(lǐng)取了獎金。
之后挑戰一直繼續，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)費曼獎，獎勵那些最能推動(dòng)實(shí)現費曼納米技術(shù)目標的研究人員。
1968年，諧振門(mén)晶體管獲得專(zhuān)利
1964年，由Harvey Nathanson領(lǐng)導的西屋公司的一個(gè)團隊生產(chǎn)出了第一個(gè)批量制造的MEMS器件。這種器件將機械元件與電子元件連接在一起，被稱(chēng)為諧振柵極晶體管(RGT)。
▲諧振門(mén)晶體管
RGT是一種金諧振MOS柵極結構。它大約有一毫米長(cháng)，對非常窄的電輸入信號有反應。它作為集成電路的頻率濾波器，只將設計范圍內的信號傳輸到輸出電路，而忽略所有其他頻率。
RGT與傳統的晶體管不同，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(kāi)推出了世界上第一個(gè)單芯片微處理器--英特爾4004。4004為Busicom計算器提供了動(dòng)力，是英特爾的第一個(gè)微處理器。這項發(fā)明為個(gè)人電腦鋪平了道路。
▲英特爾4004微處理器和Busicom計算器
20世紀60年代和70年代，用于壓力傳感器的批量蝕刻硅片的擴散
20世紀60年代初，硅晶體管的制造帶來(lái)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(shuō)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晶取向。對于不同的晶體平面，蝕刻速率(單位時(shí)間內去除的材料量)變化很大。然后，硅可以被選擇性地蝕刻掉，形成各種結構，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制造中非常重要，因為它是批量微加工工藝的基礎。散件微加工蝕刻掉硅基底相對較大的部分，留下所需的結構。自誕生以來(lái)，批量微加工一直是一種非常強大的方法，用于制造微機械元件，如微流體通道、噴嘴、膜片、懸掛梁和其他移動(dòng)或結構元件。
在20世紀70年代，IBM研究實(shí)驗室的Kurt Peterson開(kāi)發(fā)了一種使用硅膜片的微機械壓力傳感器。與當時(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測設備中大量應用，可以說(shuō)是微系統設備最早的商業(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(chēng)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。
當氣泡彈出時(shí)，墨滴就會(huì )通過(guò)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)現高分辨率打印。自從惠普公司首次提出TIJ以來(lái)，一直在改進(jìn)，使噴嘴更小，密度更高，以提高分辨率。現在的許多打印機都采用了熱噴墨技術(shù)。
▲(左)噴墨噴嘴陣列示意圖(右)商用噴墨打印機噴頭特寫(xiě)圖
1982年引入LIGA程序
20世紀80年代初，德國卡爾斯魯厄核研究中心的一個(gè)團隊，開(kāi)發(fā)了一種名為L(cháng)IGA的新工藝。LIGA是X射線(xiàn)光刻(X-ray Lithographie)、電鍍(Galvanoformung)和成型(Abformung)的德語(yǔ)縮寫(xiě)。
這種工藝在微系統制造中非常重要，因為它可以制造高縱橫比的微結構。高縱橫比結構是指非常薄，或窄而高的結構，如通道。LIGA可以實(shí)現高達100:1的比值，LIGA結構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
1982年"作為機械材料的硅"——MEMS領(lǐng)域被引用最多的文章之一
1982年，Kurt Petersen撰寫(xiě)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"硅作為一種機械材料"。該論文提供了有關(guān)硅的材料特性和蝕刻數據的信息，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(lái)自IBM的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種名為原子力顯微鏡(AFM)的微型設備。原子力顯微鏡是一種通過(guò)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(lái)繪制原子結構表面的裝置。懸臂通常是硅或氮化硅。AFM的最終分辨率低至約10?。
20世紀80年代微系統的其他發(fā)展情況
20世紀80年代出現了許多發(fā)展和新的應用。1988年，加州大學(xué)伯克利分校制造出第一臺旋轉式靜電側驅動(dòng)電機。1989年出現了橫向梳狀驅動(dòng)，結構橫向移動(dòng)到表面。
▲(左)第一臺旋轉式靜電側驅動(dòng)電機，(右)側梳驅動(dòng)
1992年SCREAM工藝(康奈爾大學(xué))
1992年，康奈爾大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種稱(chēng)為單晶反應蝕刻和金屬化(SCREAM)的批量微加工工藝。它是為了從單晶硅和單晶砷化鎵(GaAs)中制造釋放的微結構而開(kāi)發(fā)的。
1992年光柵光調制器光柵光閥
可變形光柵光調制器(GLM)是由O.Solgaard在1992年推出的。它是一種微型光機電系統(MOEMS)。自問(wèn)世以來(lái)，它已被開(kāi)發(fā)用于各種應用，如顯示技術(shù)、圖形印刷、光刻和光通信。
▲光柵光閥
1993年MUMPs出現
▲使用MUMPs流程的兩個(gè)簡(jiǎn)單結構
1993年，北卡羅來(lái)納州微電子中心(MCNC)創(chuàng )建了一家代工廠(chǎng)，其目的是為了使微系統加工對廣大用戶(hù)來(lái)說(shuō)具有高度的便利性和成本效益。它開(kāi)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(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了多次修改和增強，以提高該工藝在多用戶(hù)環(huán)境下的靈活性和通用性。
▲使用SUMMiT IV構建的MEMS設備
1998年，另一家表面微加工鑄造廠(chǎng)開(kāi)始了。這個(gè)是在桑迪亞國家實(shí)驗室開(kāi)始的，這個(gè)工藝被稱(chēng)為SUMMiT IV。這個(gè)工藝后來(lái)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(xiě)。
1993年第一臺大批量制造的加速度計
1993年，Analog Devices公司率先大批量生產(chǎn)表面微加工加速度計。此前，在20世紀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(chē)行業(yè)在安全氣囊中使用了Analog Devices公司的加速度計，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加速度計的可靠性很高，體積很小，價(jià)格也很便宜。它的銷(xiāo)售量打破了記錄，增加了安全氣囊在汽車(chē)上的應用。
今天，加速度計被發(fā)現在各種各樣的消費產(chǎn)品中，包括安全和導航汽車(chē)系統、游戲控制器、移動(dòng)手機和計算機系統。
1994年，深層反應離子蝕刻獲得專(zhuān)利
▲用DRIE蝕刻的溝
1994年，德國博世公司開(kāi)發(fā)出一種特殊的深層反應離子蝕刻(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(kāi)出深而陡的孔和溝槽。它是為需要這些特征的微型設備而開(kāi)發(fā)的，但也用于為動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的高密度電容器挖掘溝槽。
20世紀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(kāi)發(fā)出第一臺MEMS光網(wǎng)絡(luò )交換機。光開(kāi)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(kāi)關(guān)輸出。它在數據通信網(wǎng)絡(luò )中提供交換功能。
這些MEMS光開(kāi)關(guān)利用微鏡，根據微鏡的相對角度，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。有幾種不同的設計配置。這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展仍在進(jìn)步。
20世紀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)家們仍在發(fā)現將MEMS傳感器和執行器與新興生物MEMS技術(shù)相結合的新方法。應用包括藥物輸送系統、胰島素泵、DNA陣列、片上實(shí)驗室(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(kāi)始。此時(shí)的研究和開(kāi)發(fā)正以非?？斓乃俣冗M(jìn)行。
結語(yǔ)：
自晶體管發(fā)明以來(lái)，科學(xué)家們一直在努力改進(jìn)和開(kāi)發(fā)新的微機電系統。最早的MEMS器件是測量發(fā)動(dòng)機的壓力和汽車(chē)的運動(dòng)等，但今天MEMS器件已經(jīng)被應用于許多商業(yè)產(chǎn)品中，且新的應用和更好的技術(shù)每天都在出現。
微系統還在不斷變小，并創(chuàng )造了一種新的技術(shù)——納米機電系統(NEMS)。MEMS和NEMS的應用和發(fā)展是無(wú)止境的，未來(lái)將繼續進(jìn)入我們日常生活的許多方面。
如需《MEMS歷史》（History of MEMS）PDF原文檔（英文），可在傳感器專(zhuān)家網(wǎng)搜索關(guān)鍵詞【MEMS歷史】，在文章詳情頁(yè)面進(jìn)行資料下載即可。
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