盘点MEMS历史上的35个重要里程碑
发表时间:2020-11-30

MEMS元件的尺寸从微米到毫米不等。目前已经是我们日常生活中常见的微型系统,被应用于在汽车、航天、生物医学、喷墨打印机、无线和光通信等场景中。

 


965年,戈登-摩尔提出了一个观点:自从20世纪40年代末发明了晶体管以来,集成电路上每平方英寸的晶体管数量每18个月就会翻一番。

摩尔表示:在可预见的未来,专注于小而不是大。

“Moore indicated that technology has and will for the foreseeable future concentrate on smaller, not bigger. ”

与晶体管一样,人们在尝试使机电系统方面也做了许多努力,以使其越来越小。

1959年,一个叫理查德-费曼的人在他著名的演讲中说得最清楚,演讲题目就为:"底部有大量空间"。他非常有兴趣探讨如何处理好"底层空间"的问题,并在小范围内控制事物。


戈登-摩尔和理查德-费曼只是两个预言了新兴MEMS技术的声音。而在MEMS发展的历史上,有更多的科学研究者为推动MEMS技术发展作出了巨大的贡献。

本文将完整梳理MEMS技术发展的时间轴,从从1947年制造的第一个点接触晶体管开始,到1999年的光网络交换机结束,50多年间,MEMS通过诸多创新,促进了当前MEMS技术和纳米技术的发展。

下面关于MEMS历史上主要的35项里程碑,看看你知道多少?

1947年发明点接触晶体管(锗)

1947年,贝尔实验室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain成功地制造了第一个点接触晶体管。这种晶体管利用了一种半导电的化学元素--锗。

这项发明证明了用半导体材料制造晶体管的能力,使电压和电流得到更好的控制。它也为制造越来越小的晶体管打开了大门。锗NPN生长结晶体管的专利是由William Shockley在1948年申请的。

第一个晶体管高约半英寸,与今天的标准相比,无疑是巨大的。今天,科学家可以制造出直径约为1纳米的纳米晶体管。作为参考,一根人类的头发大约是60-100微米。


1954年发现硅和锗的压阻效应

1954年,C.S.Smith发现了硅、锗等半导体材料的压阻效应。半导体的这种压阻效应可以比金属的几何压阻效应大几个数量级。这一发现对MEMS很重要,因为它表明硅和锗比金属更能感知空气或水的压力。

由于发现了半导体中的压阻效应,1958年开始商业化开发硅应变片。1959年,Kulite公司成立,成为裸硅应变片的第一个商业来源。


利用金属的压阻效应的压力传感器(MTTC压力传感器)

1958年,第一块集成电路(IC)的发明

当晶体管被发明出来时,每个晶体管的实际大小是有限制的,因为它必须与电线和其他电子器件相连。因此,晶体管的缩小陷入了停滞状态,直到"集成电路"的出现。

集成电路将包括晶体管、电阻、电容和电线,以满足特定的应用需求。如果一个集成电路可以在一块基板上全部制作完成,那么整个器件就可以变得更小。

几乎在同一时间,有两个人独立开发了集成电路。

1958年,在德州仪器公司工作的Jack Kilby建立了一个"固体电路"的工作模型。这种电路由一个晶体管、三个电阻和一个电容组成,全部装在一个锗片上。


德州仪器首款集成电路

不久之后,飞兆半导体公司的罗伯特-诺伊斯做出了第一个"单元电路"。这种集成电路是在硅芯片上制作的。1961年,罗伯特-诺伊斯获得了第一个专利。

1959年"底部有很多空间"

 

理查德-费曼

1959年,在美国物理学会的一次会议上,一个叫理查德-费曼的人以一篇题为"底部有足够的空间"的著名的开创性演讲普及了微观和纳米技术的发展。

他在演讲中提出了一个问题:"为什么我们不能把整整24卷的《大英百科全书》写在针头上?"他提出了如何在这么小的面积上写出这么多文字,以及如何阅读的方法。

费曼提出了在原子尺度上操纵物质的可能性。他尤其对密度更大的计算机电路,以及能看到比扫描电子显微镜小得多的东西的显微镜感兴趣。他建议建造可以被吞下的微小机器人来进行外科手术的可能性。

费曼谈到了在原子尺度上工作时将出现的新的物理挑战。重力将变得不那么重要,而表面张力和范德瓦尔斯吸引力将变得更加重要。

在这篇著名演讲的最后,他向他的听众提出挑战,要求他们设计和制造一个微小的马达,并将书本上一页的信息写在一个线性尺度小1/25,000的表面上。对于每一项挑战,他都提供了1000美元的奖金。

他在一年内颁发了微型马达奖,1985年,斯坦福大学的一名学生因将《双城记》的第一段,缩小了1/25000而领取了奖金。

之后挑战一直继续,自1997年起,前瞻纳米技术研究所每年都会颁发纳米技术费曼奖,奖励那些最能推动实现费曼纳米技术目标的研究人员。

1968年,谐振门晶体管获得专利

1964年,由Harvey Nathanson领导的西屋公司的一个团队生产出了第一个批量制造的MEMS器件。这种器件将机械元件与电子元件连接在一起,被称为谐振栅极晶体管(RGT)。


谐振门晶体管

RGT是一种金谐振MOS栅极结构。它大约有一毫米长,对非常窄的电输入信号有反应。它作为集成电路的频率滤波器,只将设计范围内的信号传输到输出电路,而忽略所有其他频率。

RGT与传统的晶体管不同,它不是固定在栅极氧化层上的。相反,它是可移动的,并且相对于基片是悬臂式的。静电吸引力控制了栅极和基片之间的距离。RGT是最早的微静电致动器示例。它也是表面微加工技术的第一次演示。

1971年,微处理器的发明

1971年,一家名为英特尔的公司公开推出了世界上第一个单芯片微处理器--英特尔4004。4004为Busicom计算器提供了动力,是英特尔的第一个微处理器。这项发明为个人电脑铺平了道路。


英特尔4004微处理器和Busicom计算器

20世纪60年代和70年代,用于压力传感器的批量蚀刻硅片的扩散

20世纪60年代初,硅晶体管的制造带来了硅的各向同性蚀刻工艺。各向同性蚀刻使用化学工艺将材料从基片上去除。由于蚀刻速率在所有方向上都是均匀的,因此材料在所有方向上都被同样去除。

在20世纪60年代末70年代初,H.A.Waggener发表了一篇题为"Electrochemically Controlled Thinning of Silicon"的论文,说明了硅的各向异性湿法蚀刻。

湿式各向异性蚀刻与湿式各向异性蚀刻的不同之处在于,材料的电化学去除取决于硅晶体的结晶取向。对于不同的晶体平面,蚀刻速率(单位时间内去除的材料量)变化很大。然后,硅可以被选择性地蚀刻掉,形成各种结构,包括V形槽、金字塔形网格和微腔。

电化学各向异性蚀刻在微系统制造中非常重要,因为它是批量微加工工艺的基础。散件微加工蚀刻掉硅基底相对较大的部分,留下所需的结构。自诞生以来,批量微加工一直是一种非常强大的方法,用于制造微机械元件,如微流体通道、喷嘴、膜片、悬挂梁和其他移动或结构元件。

在20世纪70年代,IBM研究实验室的Kurt Peterson开发了一种使用硅膜片的微机械压力传感器。与当时的其他膜式压力传感器相比,薄膜片允许更大的变形,因此灵敏度更高。这种薄型膜片压力传感器在血压监测设备中大量应用,可以说是微系统设备最早的商业成功之一。

1979年,惠普微加工喷墨喷嘴

1979年,惠普公司提出了一种替代点阵打印的技术,称为热喷墨技术(TIJ)。这种打印技术能迅速加热墨水,产生微小的气泡。

当气泡弹出时,墨滴就会通过喷嘴喷出;这些喷嘴阵列是整个喷墨打印头的一部分,可以在纸张和其他介质上快速创建图像。硅微加工技术被用于制造喷嘴。这些喷嘴做得非常小,而且密度很大,可以实现高分辨率打印。自从惠普公司首次提出TIJ以来,一直在改进,使喷嘴更小,密度更高,以提高分辨率。现在的许多打印机都采用了热喷墨技术。


(左)喷墨喷嘴阵列示意图(右)商用喷墨打印机喷头特写图

1982年引入LIGA程序

20世纪80年代初,德国卡尔斯鲁厄核研究中心的一个团队,开发了一种名为LIGA的新工艺。LIGA是X射线光刻(X-ray Lithographie)、电镀(Galvanoformung)和成型(Abformung)的德语缩写。

这种工艺在微系统制造中非常重要,因为它可以制造高纵横比的微结构。高纵横比结构是指非常薄,或窄而高的结构,如通道。LIGA可以实现高达100:1的比值,LIGA结构具有精确的尺寸和低表面粗糙度。

LIGA微加工齿轮的微型电磁马达

1982年"作为机械材料的硅"

1982年,Kurt Petersen撰写的一篇论文发表在电气和电子工程师协会(IEEE)的出版物上。该论文题为"硅作为一种机械材料"。该论文提供了有关硅的材料特性和蚀刻数据的信息,并在吸引科学界进入这些领域的探索方面发挥了重要作用。它是MEMS领域被引用最多的文章之一。

1986年发明原子力显微镜(AFM)


原子力显微镜上的悬臂装置

1986年,来自IBM的科学家们开发了一种名为原子力显微镜(AFM)的微型设备。原子力显微镜是一种通过测量作用在一个末端带有尖锐尖端或探针的微型悬臂尖端上的力来绘制原子结构表面的装置。悬臂通常是硅或氮化硅。AFM的最终分辨率低至约10Å。

20世纪80年代微系统的其他发展情况

20世纪80年代出现了许多发展和新的应用。1988年,加州大学伯克利分校制造出第一台旋转式静电侧驱动电机。1989年出现了横向梳状驱动,结构横向移动到表面。


(左)第一台旋转式静电侧驱动电机,(右)侧梳驱动

1992年SCREAM工艺(康奈尔大学)

1992年,康奈尔大学开发了一种称为单晶反应蚀刻和金属化(SCREAM)的批量微加工工艺。它是为了从单晶硅和单晶砷化镓(GaAs)中制造释放的微结构而开发的。


1992年光栅光调制器光栅光阀

可变形光栅光调制器(GLM)是由O.Solgaard在1992年推出的。它是一种微型光机电系统(MOEMS)。自问世以来,它已被开发用于各种应用,如显示技术、图形印刷、光刻和光通信。

1993年MUMPs出现

使用MUMPs流程的两个简单结构

1993年,北卡罗来纳州微电子中心(MCNC)创建了一家代工厂,其目的是为了使微系统加工对广大用户来说具有高度的便利性和成本效益。它开发了一种名为MUMPs(MultiUser MEMS Processes)的工艺,这是一种三层多晶硅表面微加工工艺。自其诞生以来,已经进行了多次修改和增强,以提高该工艺在多用户环境下的灵活性和通用性。

 

使用SUMMiT IV构建的MEMS设备

1998年,另一家表面微加工铸造厂开始了。这个是在桑迪亚国家实验室开始的,这个工艺被称为SUMMiT IV。这个工艺后来演变成了SUMMiT V,这是一种五层多晶硅表面微加工工艺。SUMMiT是"Sandia超平面、多层次MEMS技术"的缩写。

1993年第一台大批量制造的加速度计

1993年,Analog Devices公司率先大批量生产表面微加工加速度计。此前,在20世纪80年代,TRW公司生产了一种传感器,每只售价约20美元。而汽车行业在安全气囊中使用了Analog Devices公司的加速度计,它的售价约为每个5美元。这使安全气囊电子装置的成本降低了75%左右。

Analog Devices加速度计的可靠性很高,体积很小,价格也很便宜。它的销售量打破了记录,增加了安全气囊在汽车上的应用。

今天,加速度计被发现在各种各样的消费产品中,包括安全和导航汽车系统、游戏控制器、移动手机和计算机系统。

1994年,深层反应离子蚀刻获得专利


用DRIE蚀刻的沟

1994年,德国博世公司开发出一种特殊的深层反应离子蚀刻(DRIE)工艺。DRIE是一种高度各向异性的蚀刻工艺,用于在晶圆上开出深而陡的孔和沟槽。它是为需要这些特征的微型设备而开发的,但也用于为动态随机存取存储器(DRAM)的高密度电容器挖掘沟槽。

20世纪90年代末、2000年代初光学技术突飞猛进

1999年,朗讯科技公司开发出第一台MEMS光网络交换机。光开关是一种光电器件,由一个光源和一个探测器组成,产生开关输出。它在数据通信网络中提供交换功能。

这些MEMS光开关利用微镜,根据微镜的相对角度,将光通道或信号从一个位置切换或反射到另一个位置。有几种不同的设计配置。这一技术领域的发展仍在进步。

20世纪90年代末、2000年代初生物MEMS技术蓬勃发展


胰岛素泵

科学家们仍在发现将MEMS传感器和执行器与新兴生物MEMS技术相结合的新方法。应用包括药物输送系统、胰岛素泵、DNA阵列、片上实验室(LOC)、血糖仪、神经探针阵列和微流控技术等。生物MEMS领域的探索才刚刚开始。此时的研究和开发正以非常快的速度进行。

总结:

自晶体管发明以来,科学家们一直在努力改进和开发新的微机电系统。最早的MEMS器件是测量发动机的压力和汽车的运动等,但今天MEMS器件已经被应用于许多商业产品中,且新的应用和更好的技术每天都在出现。

微系统还在不断变小,并创造了一种新的技术——纳米机电系统(NEMS)。MEMS和NEMS的应用和发展是无止境的,未来将继续进入我们日常生活的许多方面。