微纳机电系统（MEMS/NEMS）前沿
2013-05-25 19:03:36   来源：北京大学   评论：0   点击：

作者：李志宏

1 引言

在过去的40多年里, 集成电路的集成度和性能一直在按照摩尔定律不断地提高, 但CMOS晶体管的尺寸缩小终将遇到物理极限. 研究人员一方面在积极寻找新的替代器件和电路结构, 另一方面将目光投到整个系统的尺寸缩小和性能提高上. 传统意义上的SoC (系统芯片), 输入和输出都是电信号, 只能解决信息技术中的信号处理部分, 无法直接实现对外部真实世界的信息获取和对外部世界发生作用. 因此仅仅是一个较完善的微型电子系统而已, 并不是一个真正意义上具有完整功能的、独立的微型系统.

1988年美国加州大学伯克利分校的Tai等成功地用微电子平面加工技术研制出了直径仅有100微米左右硅微机械马达, 使人们看到了将可动机械结构与电路集成在一个芯片内, 构成完整的微型机电系统的可能. 微机电系统——MEMS (micro electro mechanical systems)的概念应运而生, 并迅速成为国际上研究的热点. 1993 年, 美国ADI公司采用该技术地将微型可动结构与大规模电路集成在单芯片内, 形成用于汽车防撞气囊控制的微型加速度计, MEMS 技术的特点和优势真正地体现了出来.

现在微机电系统已经远远超越了“机”和“电”的概念, 将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他一些微加工工艺制造在芯片上, 并通过与电路的集成甚至相互间的集成来构筑复杂微型系统. 所以, 更准确地说, 今天的MEMS包括感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和控制外界信息的执行器, 以及进行信号处理和控制的电路.

当微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下时, 又被称为纳机电系统(NEMS, nano electro mechanical system). 由于尺寸更小及纳米结构所导致的新效应, NEMS 器件可以提供很多MEMS器件所不能提供的特性和功能, 例如超高频率、低能耗、高灵敏度、对表面质量和吸附性前所未有的控制能力等. 以NEMS谐振器为例, 与MEMS谐振器相比, NEMS谐振器利用了纳米核心结构的尺度效应使器件性能获得了显著提升, 通过谐振结构的等比例缩小, 器件频率显著提高, 甚至可以达到GHz, 因此可以组成高频电路里的振荡器和滤波器. 纳米悬臂梁其质量可以小至10−18g, 以其为敏感单元的质量传感器已能检测绑定在结构上的DNA分子, 甚至还能检测到少量原子的影响. 为了论述方便, 在下文中, 除了特殊说明, 我们将用微机电系统(MEMS)来泛指微纳机电系统(MEMS/NEMS).

经过20多年的发展, 国际上MEMS已全面走向应用, 年销售额达到100多亿美元, 大量的MEMS器件被用在智能手机、游戏机和汽车等方面, 已成为我们日常生活的一部分. 由于MEMS是在CMOS IC的基础上发展而来的, 所以人们习惯性地用IC的思维考虑MEMS的问题. 很多年来人们一直在寻求象IC中的CPU和存储器一样的Killer Application, 产生一个新的飞跃, 甚至带来比IC 更大的市场. 然而, 这一目标至今尚未实现, 而且也没有一个公认的未来的可能器件或系统跃入人们的视野. 压力传感器、加速度计、陀螺、微麦克风、FBAR等MEMS器件虽然销售量都早已过亿, 但由于其自身价格都不高, 都无法担任起这一使命, MEMS的整体市场远无法与IC相比拟. 然而, 从这一寻找过程当中, 人们也意识到, MEMS 的多样性和渗透性正是它区别于IC的鲜明特性. MEMS已经进入到各个领域和行业, 并且在不同程度上改变着其现状和发展走势. 与其说这些器件和系统是MEMS产品, 不如说它们是所在领域和行业的新一代产品. MEMS 研究的情况也是如此, 最初的MEMS器件研究往往是以微电子或机械背景的人为主体, 与相关的研究者合作进行; 而近年来, 随着MEMS技术日益成熟, MEMS技术已经成为强有力的研究工具. 不同领域的研究者根据自己的需要和想法, 利用MEMS技术研发所需的新型器件和系统. 事实上, 这恰恰说明了MEMS的强大生命力和光明的发展前景. 它不会由于加工技术和一些器件的成熟而失去研究上的发展动力, 而是会随着其他领域的不停发展而继续前进.

MEMS的这一特点也决定了其研究上的百花齐放, 因此很难对其发展前沿进行概述. 本文将根据本专辑的主题, 立足于微纳机电系统与集成电路的交叉, 选择具有代表性的几个发展前沿——MEMS与CMOS IC的集成、NEMS器件在IC 中的应用以及生物医疗应用的柔性MEMS芯片进行讨论.

2 MEMS与CMOS IC的集成

与CMOS IC集成化一直是MEMS研究领域中的热点问题, 实现电路与结构的完全集成可以提高微机械器件的性能, 降低加工、封装的成本, 因此具有非常重要的实用价值. 因此, MEMS与CMOS IC集成化在学术和产业化方面的研究脚步一天也没用停止过. 然而, 虽然MEMS是在IC的基础上发展起来的, 但二者的集成却充满了挑战. 首先, 在技术层面上, MEMS的三维可动结构需要用特殊的工艺技术或工艺步骤实现, 电子器件与机械结构的性能需要不同的工艺处理进行优化, 这些加工方法或工艺步骤不可避免地存在不兼容或冲突的地方. 例如对于表面牺牲层工艺, 工艺之间的温度兼容性问题: 形成和优化微机械结构的LPCVD多晶硅和退火等高温工艺会对电子器件的金属、电阻和聚合物等产生不利影响; 反过来, 任何在可动微加工形成之后的工艺都可能对这些结构造成严重的破坏. 其次, 在产业化层面上, 集成化是否真的可以降低成本, 提高产品的竞争力一直存在争议. 将IC与MEMS加工在同一个芯片上, 固然可以减小芯片的总面积, 节省一次封装, 但这些所带来的成本优势却可能被以下的负面效应所抵消:

1) 通常来说, CMOS的掩膜版数和加工步骤都远多于MEMS工艺, 一个好的集成工艺可能只需要增加很少的光刻等工艺步骤就可以将MEMS集成在芯片上, 但这仍然会造成成品率的显著下降. 这会使集成芯片的成品率低于两片封装式产品的成品率.

2) MEMS器件往往特征尺寸要求不高, 但所占用的面积却远大于IC的面积. 采用加工高昂的先进的IC生产线(如45 nm工艺) 去加工大面积MEMS器件显然会提高单位面积的成本.

3) MEMS所涉及到的种类广泛, 加工工艺也五花八门, 难以找到普适的集成解决方案. 每一个单步的工艺的改变都可能对整个工艺产生牵一发动全身的影响. 工艺开发成本高昂.

4) 从产品研发的角度来看, 两片式方案可以分别设计和加工MEMS器件与处理电路, 甚至使用已有IC芯片, 而集成式方案则需要一起设计和加工. 后者的研发周期显然要长, 成本也会更高.

5) 由于技术上的兼容性问题, 集成式芯片中的MEMS器件和IC在性能方面通常需要折衷考虑, 这会一定程度上抵消集成所带来的性能优势.

由于这些原因, 虽然集成化研究进行的如火如荼, 这么多年来市场上真正的单片集成芯片只有TI的DLP (数字光学处理器)、ADI的集成加速度计和陀螺、SiTime的集成化硅振荡器, 以及一些集成压阻压力传感器等少数产品. 多数的压力传感器、加速度计、陀螺、麦克风都仍然采用MEMS器件和处理电路分开方式. 国际上一直处于领先地位的纯MEMS代工厂Silex Microsystems、Teledyne Dalsa和Tronics等也一直提供单独的MEMS加工服务, 集成产品绝大多数由IDM 模式完成.

这种态势随着集成电路代工巨头台积电高调进入MEMS代工业而面临巨大转变, CMOS与IC集成加工可能会变成主流的MEMS产品加工方式. 台积电最初决定从事MEMS代工是在2008年, 但得益于雄厚的技术与财力的基础, 营收和排名都得到迅猛提高. 据著名咨询公司IHS iSuppli分析报告, 2011年台积电相关营业收入达到5300万美元, 与2010年相比猛增201%, 超过纯MEMS代工厂Silex Microsystems跃升为第一位. 虽然营收与其集成电路相比还很少, 但增长速度却十分惊人. 由自身特点所决定, 台积电进入MEMS代工业伊始就定位于MEMS与IC的兼容与集成加工, 并在行业内广泛宣传这次策略. 目前台积电的主要代工对象涵盖了3轴陀螺仪、加速度计、MEMS麦克风、压力传感器、片上实验室和喷墨打印头等众多MEMS产品, 但其最主要的业务营收来自于InvenSense的陀螺仪和惯性测量单元(IMU) 以及模拟器件公司(ADI) 的麦克风, 这两种器件均是以集成方式制造的. 另一知名集成电路代工企业联电(UMC)也继台积电之后实现了CMOS MEMS的量产.

作为MEMS的主要产品之一, 硅麦克风的市场一直被楼氏(Knowles)所垄断, 其产品采用两片方式. 2011年8月博世收购了MEMS麦克风厂商Akustica, 大力推进单片集成式硅麦克风的研发与生产力度, 与ADI的集成麦克风一道, 向楼氏发起有力的挑战.

由此可以看出, MEMS与IC集成的脚步在过去两年内大大提速了, 相应的MEMS代工业也随之迅速增长, 这为无晶圆厂(fabless)模式MEMS设计公司提供了前所未有的契机.

以下将简述几种典型的MEMS与IC集成工艺.

20世纪90年代初ADI公司开发出具有里程碑意义的集成加工工艺——iMEMS工艺, 该工艺将IC加工与MEMS加工交叉进行(hybrid-CMOS). 电路采用BiCMOS工艺制作, 用多晶硅制作机械结构, 电路和机械结构部分通过N+层来实现. 这种工艺虽然比较有利于工艺的优化, 但专门性很强, 不容易被标准化和被其他加工厂复制. 另外, 由于这种工艺采用的多晶硅结构层较薄(2um), 导致信号弱, 结构面积大. 从2004年开始, ADI 公司全面采用集成SOI MEMS工艺来代替iMEMS工艺进行惯性MEMS加工. 由于SOI MEMS工艺与表面工艺有很大的近似性, 因此它与CMOS的集成也具有独特的优势. 图1(a)是该工艺方案的示意图. CMOS电路和电路之间通过深槽回填进行隔离. 隔离槽填充通常采用LPCVD多晶硅, 要做CMOS电路的金属化之前完成, 而最后的结构刻蚀和释放在CMOS电路之后完成, 可以认为是hybrid-CMOS集成. 由于SOI材料中的硅层(40~100um)远远大于多晶硅层的厚度(2um), 因此器件的灵敏度增加, 芯片尺寸却大大缩小. 同时, 由于简化了工艺, 虽然材料上增加的费用, 但整体成本却下降了. 图1(b)显示了用这种工艺加工出的集成双轴加速计adxl311照片.

图1 (a)集成SOI MEMS工艺示意图和 (b)用该工艺加工出的双轴加速计adxl311照片

北京大学的闫桂珍等开发出了一种单片体硅加工工艺, 其剖面结构如图2(a)所示, 从工艺到结构上都与集成SOI MEMS类似. 但该工艺采用的是普通硅片, 在成本上具有很大优势, 结构厚度也比较灵活.

图2 北京大学开发出的体硅单片集成技术

从加工成本和实用化考虑考虑, Post-CMOS——即在CMOS电路加工完成之后再进行MEMS加工是最优的方案, 这样CMOS电路部分的加工可以在标准的集成电路代工厂完成, 最大限度地降低设计成本和提高成品率. 因此Post-CMOS技术一直是集成化研究的热点.

加州大学伯克利分校开发出一种Post-CMOS技术, 采用多晶锗硅(Poly-Si_xGe_1−x)取代多晶硅作结构材料. 多晶锗硅的生长温度小于450℃, 因此可以用铝来作互连材料实现Post-CMOS MEMS集成. 这种工艺可以把MEMS结构直接加工在CMOS器件的上方, 因此也可以有效地节省芯片面积. 比利时的IMEC 也投入了很大的精力开发这种技术, 采用PECVD代替LPCVD工艺生长多晶锗硅, 从而进一步降低生长温度, 提高淀积速率. 这种工艺已经开始被用于产业化.

CMOS MEMS工艺是由美国卡耐基－梅隆大学开发的一种完全的Post CMOS集成工艺, 基本工艺流程如图3(a)所示. 它采用CMOS电路中的互连金属及金属间的介质作为机械结构, 所以CMOS电路加工完成后只需几步各向异性和各向同性的干法刻蚀就可以完成器件的加工. 这种工艺的一个特点是所有的工艺步骤都是单面加工, 所以可以很容易的移植到基于不同尺寸衬底的工艺线上, 可以增加选择加工服务商的自由度. 这种工艺的主要缺点是机械结构的厚度有限, 而且有较大的残余应力. 为了克服CMOS MEMS工艺中的问题, Xie等又开发了一种结合深刻蚀工艺的DRIE CMOS MEMS工艺, 如图3(b)所示. 改进后的工艺利用单晶硅作为机械结构, 可以实现高深宽比结构, 提高器件的性能. 但由于它的电学隔离需要一步各向同性刻蚀, 对工艺的控制精度要求比较高, 而且部分结构仍需薄膜结构连接, 使器件性能受到一定的限制.

图3 (a) CMOS MEMS工艺基本流程图; (b)与体硅工艺结合的CMOS MEMS工艺

近年来, 台湾清华大学等研究机构, 依托台积电的CMOS工艺, 在CMOS MEMS工艺方面进行了很多研究工作. Li等利用台积电的0.18um 1P6M(一层多晶硅6层金属) CMOS工艺成功实现了集成谐振器的加工, 性能显著优于0.35um工艺加工结果. 图4是结构的剖面图和SEM照片采用90nm和40nm平台进行CMOS MEMS加工的尝试也已经开始. 随着研究的成熟. CMOS MEMS有可能成为台积电MEMS主打工艺之一, 非常值得关注.

图4 (a) CMOS MEMS工艺实现的集成谐振器; (b)器件的SEM图片

作为目前的的主要营收来源, 台积电为InvenSense加工陀螺和IMU所采用的实际是一种混合集成工艺. 如图5(a)所示, CMOS电路和MEMS结构分别加工在一个晶圆上. MEMS 所在的晶圆同时起到封帽的作用, CMOS在相应的区域刻蚀出一个腔体. 两个圆片通过金硅共熔合金的方式实现键合, 形成陀螺所需的真空腔体, 同时实现圆片级封装. 图5(b)是三维结构示意图. 该工艺在减小寄生效应和封装尺寸的同时, 也减轻了前面说到的一些集成方面的缺点.

图5 InvenSense集成工艺

值得一提的是, 中科院上海微系统所的Li等发明了一种单面集成的集成压力传感器工艺. 工艺选用(111)晶向硅片, 利用TMAH湿法腐蚀的晶向选择性, 通过横向腐蚀在硅片表面下面形成空腔, 再利用LPCVD多晶硅封闭空腔, 形成压力传感器结构. 这种方法通过单面工艺实现超小结构的压力传感器, 从而实现低成本加工. 该工艺与CMOS工艺兼容, 可以实现与IC的集成. 方法的一个美中不足是CMOS通常采用(100)衬底, 因此需要支持(111)衬底的双极代工厂进行加工.

通过TSV (硅通孔) 技术实现CMOS、MEMS以及光电子电路等多种系统的三维混合集成也是近年来值得关注的热点(图6). 限于篇幅, 这里不做过多论述.

图6 TSV技术实现CMOS、MEMS以及光电子电路三维混合集成示意图

3 NEMS器件在IC 中的应用

近几年, MEMS 与纳米技术融合的步伐在加快. 一方面新的纳米材料与纳米加工技术越来越多地在MEMS技术中得到应用, 促进了微机电系统性能提高和新器件的涌现, 另一方面微纳机电系统技术也提供了新的纳米级三维加工手段, 催生了诸如NEMS继电器、存储器等新型的IC 器件. 这里主要论述后者.

在CMOS器件特征尺寸遵循摩尔定律按比例缩小的过程中, 面临着诸多技术上和理论上的挑战,其中之一是功率密度极限. 为了在晶体管密度增加的情况下保持功率密度不变, 需要降低电源电压VDD以减小开态电流. 但事实上降低开态电流将延长操作延迟, 增加功耗. 解决这一问题的一个办法是降低阈值电压, 但这又会增加亚阈值漏电. 由于CMOS器件总是存在亚阈值漏电(亚阈值摆幅60mV/Decade), 这一矛盾是难以克服的. 解决这一矛盾的一个途径是开发具有更陡峭亚阈值摆幅的新型电子器件如隧穿MOS、IMOSFETs、纳米线MOSFET等, 而NEMS继电器则提供了另一条可能的途径.

MEMS继电器的工作原理如图7所示. 这是一个三端微继电器示意图, 器件最核心的结构是一个带有触点的导电悬臂梁, 其下面有一个驱动电极(相当于MOSFET的栅极). 当驱动电极上不加电压或电压很小的时候, 悬臂梁自由端的触点与下面的电极(相当于MOSFET的漏极) 之间存在空气间隙, 在漏极与悬臂梁的固定端 (相当于MOSFET的源极) 之间没有电流通过, 开关处于断开状态. 当栅极所加的电压超过一定值之后 (吸合电压, 相当于MOSFET的阈值电压), 悬臂梁被静电力下拉, 接触点与下面的电极接触, 源与漏被电学导通, 开关处于开启状态. 此时减小栅电压, 当小于某一个值(要小于吸合电压),悬臂梁由于机械恢复力向上弹起, 接触点离开漏极, 回到断开状态. 与半导体MOS器件相比, MEMS继电器在断开状态下, 由于触点与漏极之间存在物理间隙, 几乎不存在静态亚阈值漏电; 在开启状态下, 接触电阻和串联电阻通常也远小于MOS器件的导通电阻. 因此, MEMS 继电器具有超高的开关电流比, 其功耗也很小. 当继电器的特征尺寸在微米尺度时(即MEMS继电器),其占用面积很大, 其驱动电压很高(几十伏甚至上百伏), 开关速度很慢(在微秒量级). 但当其特征尺寸(包括间隙)减小到纳米尺寸时(即NEMS继电器),其机械响应速度会大大提高, 开关速度可以到达到纳秒量级, 驱动电压也会显著下降, 具备了成为电子器件单元的条件. 此外, 与MOS器件相比, NEMS继电器对外界温度、辐射和电磁场不敏感, 因此对于太空、国防等领域会有其特殊的价值. 采用NEMS继电器代替CMOS器件构成逻辑计算单元, 进而实现大规模运算, 实际上是从电子计算方式向传统机械计算方式的一种回归.

图7 MEMS继电器的工作原理

妨碍NEMS继电器在集成电路中实际应用的最大瓶颈问题是其接触可靠性问题. 当器件尺寸按比例缩小的时候, 不仅电学量发生显著变化, 各种力的对比关系也随着尺寸发生显著变化. 表面张力、毛细作用力、范德瓦尔斯力、分子间作用力等面积和间距相关的力与体积力相比在纳米尺度下变得尤为显著. 在MEMS器件中, 当两个结构相互接触的时候, 如果弹性回复力无法克服范德瓦尔斯力等结构间相互吸引的力, 就会产生所谓的粘附效应使器件失效. 对于NEMS继电器, 这个问题变得更为显著. 一方面, 在纳米尺度范德瓦尔斯力等表面力与弹性力相比更处于优势地位; 另一方面, 为了满足低驱动电压的要求, 又需要尽量减小悬臂梁的刚度, 进一步增大了粘附的风险. 接触点失效是影响NENS继电器可靠性另一大因素. 接触点失效一直是MEMS继电器应用的瓶颈问题, NEMS 继电器由于点更小、接触力更低、回复力更小而使问题变得更为严重. 文献中所报道的用于IC的NEMS器件大多数是验证概念, 解决尺寸和集成的问题, 很多器件甚至只能完成个位数的接触操作. 近几年可靠性问题得到了很高的重视, 也取得了一些突破性的进展, 但目前所报道的最高开关次数10¹⁰, 仍然与电路中实际应用的要求(>10¹⁶)相去甚远.

NEMS继电器应用所面临的另一个重要问题是互连和封装. 与CMOS集成电路一样, 高密度纳米级器件要想形成复杂的电路, 必须通过多层互连来实现, 有些集成电路的互连线甚至已经超过10层. 与CMOS器件不同, NEMS继电器是三维可动结构, 其后续的淀积和刻蚀都无法轻易实现. 同时, 由于机械响应速度和接触可靠性的要求, NEMS继电器需要进行气密性封装.

尽管面临上述诸多挑战, 由于NEMS继电器独有的优点, 其研究仍然得到了广泛的重视, 并取得了长足的进展. 这些研究中不但采用了纳米光刻和刻蚀等先进纳米加工工艺, 还有很多器件采用了碳纳米管、石墨烯等新兴材料. 以下将介绍几种典型的器件.

韩国的Jang等以TiN为结构材料, 用CMOS兼容的加工工艺, 研制出梁厚35nm,空气间隙为15nm的NEMS继电器, 其关态漏电流几乎为0, 亚阈值摆幅小于3mV/Decade, 驱动电压为20V左右, 在空气中实现了几百次的开关. 图8(a)是这种继电器的示意图, (b)是SEM照片.

图8 TiN NEMS继电器

图9是美国凯斯西储大学的Lee在Science杂志上报道的用SiC材料制造的反相器示意图和器件局部照片. 其最小结构尺寸为150nm,而最小间距为20nm. 其关态工作电流小于10 fA (测量仪器的噪声值).这个器件最重要的特点是不仅可以在室温下工作, 还可以在高达500℃的温度下工作. 在室温下开关次数达到210亿次, 在500℃的温度下也达到了20亿次以上, 是目前报道的最高值.

图9 用SiC材料制造的反相器示意图

英国剑桥大学的Jang等用垂直生长的碳纳米管作为结构材料, 用倾斜淀积和光刻实现碳纳米管局部金属化, 制备了如图10(a)所示的垂直方向NEMS继电器. 该器件的优点是驱动电压比较低(<4.5 V, 见图10(b)).

图10 碳纳米管垂直NEMS继电器

和其他碳纳米管器件类似, 用碳纳米管加工NEMS继电器的一个主要缺点是难以定位及形成圆片级加工. Hayamizu 等报道了一种在圆片级形成碳纳米管薄膜, 进而加工器件的方法. 他们利用这种方法, 成功地在圆片上加工出NEMS继电器阵列, 并取得了相对较好的一致性. 虽然其驱动电压还比较高, 加工成品率也有待于提高, 但已经展现出进行大规模加工器件和电路的可能性.

石墨烯是近年来炙手可热的一种纳米材料, 也有很多研究者利用石墨烯良好的导电性和机械性能形成NEMS继电器. 中科院物理所的张广宇研究组利用多层石墨烯作为机械桥膜制备了NEMS继电器. 其开关比为10⁴, 开关寿命为500多次.

除了继电器之外, 用NEMS技术也可以形成存储器. 英国剑桥大学的Jang等发展了他们的碳纳米管开关技术, 加工出基于开关电容的纳米存储器. 图11(a)是器件结构示意图. 器件的源和漏上各生长一根垂直的碳纳米管, 其中源极的碳纳米管上覆盖氮化硅作为介质层, 再覆盖Cr作为电极层. 源极接位线、漏极接字线. 如图11(b)所示, 在存储器的写入过程, 在要写入的单元1的位线上加正向偏压, 漏极的碳纳米管将由于静电作用力与源极接触, 当驱动偏压时, 正电荷将保留在源极. 此时单元1被写入“1”,而单元2保持为“0”. 如图11(c)所示, 在读的时候, 所有位线被施加与写入电压相同的偏压. 单元1由于正电荷的相互排斥作用不能接触, 因此没有电流流过. 而单元2的碳纳米管发生接触, 产生电流, 实现存储单元状态的区分. 在读出后, 需要对单元进行复位.

图11 垂直碳纳米管存储器

美国Rice大学的Li等研制出一种简单的两端NEMS存储器件. 如图12(a)和(b)所示, 该器件的核心部分是悬空的薄层石墨纳米带. 当在石墨纳米带两端加载电压扫描的时候, 会出现特殊的双稳态现象. 如图12(c)所示, 当电压从0 V扫描到10 V的时候, 器件从低阻态跳变到高阻状态. 再次从0 V扫描时, 则会呈现出高阻状态, 向10 V扫描时会出现两次跳变. 而从10 V向0 V方向扫描时, 器件则从高阻向低阻跳变. 利用这种现象可以实现双稳态存储器件, 并且实现1000次以上的读—写—擦除操作. 研究表明这种现象是由石墨纳米带内部微结构所形成的NEMS开关效应引起的. 具体现象和解释请读者自己参阅文献.

图12 两端石墨纳米带存储器件

4 生物医疗应用的柔性MEMS芯片

硅基集成电路一直在微电子领域占据绝对统治地位, 同样, 硅基微加工由于成熟、加工能力强、能与电路集成而一直是MEMS主流加工工艺. 近年来, 以柔性的塑料和薄金属作为衬底的柔性电子开始出现并逐渐兴起. 柔性电子以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺, 在柔性显示器、有机发光二极管(OLED)、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子纸、电子皮肤、人工肌肉等方面显示出广泛应用前景.

生物微机电系统(BioMEMS)近年来已经成为生命科学研究的有力工具, 并成为MEMS领域研究的前沿和热点. 用于细胞操纵、DNA扩增检测等的各种微结构不断被开发出来, 极大地促进了生命科学研究在细胞、分子水平的进展. 对于很多可抛弃型或小批量生物MEMS器件, 硅基微加工技术的成本相对过高, 相关材料的生物兼容性、在液体环境中的长期可靠性仍有待解决, 硅材料的脆性和不透明性也影响了其使用范围. 近年来生物MEMS工艺的热点逐渐转移到低成本、高生物兼容性的聚合物微加工上. 对于生物医疗应用的植入型器件和体表器件, 由于要与形状复杂的器官或皮肤表面贴合并避免组织损伤, 柔性衬底显示出其不可替代的优势. 这种生物医疗应用的柔性芯片是微电子、MEMS、材料以及生物医学等多种科学技术交叉的代表性产物.

人造视网膜芯片是植入式芯片一个典型的例子. 据国家权威部门统计, 我国现有盲人约500万, 到2020年预期盲人总数将增加4倍. 在众多盲人患者中, 有近四分之一的患者是由于视网膜病变造成的, 而这种病变目前为止没有任何药物或手术的方法能够修复. 采用MEMS技术人造视网膜芯片使恢复视网膜退化等眼疾患者视觉成为可能. 人造视网膜芯片是一种在眼内植入的微电极阵列, 通过芯片上光电二极管或人为外在施加的方法将眼外影像转化为微电极上的工作电流, 继而对患者视网膜上残余的正常神经细胞进行刺激, 形成人造视觉(见图13). 硅微加工实现的芯片基底刚性较大, 难以与视网膜几何结构相匹配, 容易产生移位, 引起人造视觉性能的降低, 甚至完全丧失, 更为严重的是, 芯片相对视网膜运动时, 会对附近正常细胞造成不可逆的生理损坏, 导致严重的术后并发症; 而目前所采用的辅助固定机构在植入过程中会带来较大的手术创伤, 破坏患者残余视网膜细胞, 严重地影响到人造视网膜芯片本身的工作性能. 此外, 硅材料的生物兼容性较差, 并不能够满足实用化人造视网膜芯片的需要. 因此人工视网膜芯片的衬底材料需要是柔性聚合物, 如聚酰亚胺(PI)和聚对二甲苯(Parylene)等. 与PI相比, Parylene可以用化学气相淀积的方法室温下在各种形状的表面上形成均匀、透明、致密无针孔、无应力的薄膜, 且薄膜的厚度能精确地控制到50纳米~100微米, 机械性能优良, 非常适合在复杂的MEMS结构上生长或形成三维MEMS结构, 同时, Parylene材料具有很好的生物兼容性, 是一种得到美国FDA认证的、可以在体内长期植入使用的生物医用材料, 是植入式MEMS器件的理想材料.

图13 人造视网膜原理示意图

图14是美国加州理工大学的Tai与美国南加州大学的Humayun研究组合作开发的视网膜芯片. 该芯片以Parylene为柔性衬底材料, Pt 作为电极, Au 作为电极连接. 为了实现与眼球的紧密贴合, 还采用升温模压的方法将芯片做成弧状. Second Sight 公司在2002年对6名全盲RP患者进行了带有16个微电极的视网膜芯片的临床植入实验, 患者可以“看到”物体的移动, 并对物体进行定位, 甚至可以识别一些简单物体, 植入的芯片到现在为止仍然可以正常工作. 北京大学的Wang等研制了带有三维针尖的柔性视网膜芯片, 与平面电极相比, 三维针尖电极具有更小的电化学阻抗, 并可以更好地与组织贴合(图15).

图14 Parylene衬底人造视网膜芯片

图15 三维针尖的柔性视网膜芯片

眼睛方面的另一个重要应用是可佩戴型眼压计. 青光眼是引起视网膜等眼病的主要因素, 世界范围内有七千万以上的青光眼患者. 引起青光眼的病因是眼压过高, 目前的眼压测量必须在医院通过特殊仪器来完成, 无法实现日常监测, 不利于对青光眼的治疗和护理. 瑞士日内瓦大学的Leonardi等提出将压力传感器制造在类似于隐性眼镜的柔性衬底上, 形成可佩戴的眼压计, 实现眼压的实时监控. 这种器件进一步发展成无线信号传输方式, 并已经成功实现产业化(图16).

图16 用于实现眼压的实时监控的"隐性眼镜"芯片

在柔性芯片方面做出最突出成果的是美国UIUC的Roger教授. 2006 年他在Science杂志上提出了利用PDMS和硅复合结构形成可伸缩电子的概念. 如图17(a)所示, 在SOI片的有源硅薄膜上刻出条带, 之后键合在预拉伸的PDMS基底上. 腐蚀掉SOI的氧化层, 硅微条带从SOI基片上释放下来与PDMS结合. 此时PDMS由于弹性回复力收缩, 由于硅条带足够薄, 具有很好的弹性, 会受到大的压应力发生屈曲形成波浪形图17(b). 之后他们又发展了这种技术, 对PDMS进行二维拉伸, 并将硅刻成岛状, 之间用金线进行互连, 形成如图17(c)所示的形状. 这种PDMS和硅复合结构可以进行大范围的压缩、拉伸和扭曲, 由于电路和MEMS结构可以事先在硅岛上, 因此实现了所谓的可伸缩电子. 这种可伸缩电子可以用来形成柔性显示器、仿人眼照相机、触觉传感器、灵巧蒙皮等多种器件和系统, 有广泛的应用前景.

图17 可伸缩的PDMS和硅复合结构

最近, Roger所领导的团队, 又进一步把这种结构从PDMS转移到更容易变形、更容易与皮肤贴合聚酯(polyster)材料上, 并集成了更多的电子元件和传感器, 提出了表皮电子的概念. 如图18(a)所示, 芯片上集成了天线、无线能传输线圈、应变传感器、RF线圈、RF二极管、温度传感器、ECG/EMG传感器等金属和硅器件. 芯片可以利用类似临时转移纹身的方式转移到人的皮肤表面, 并与皮肤紧密贴合(图18(b)). 通过射频传输能量和信号, 该芯片可以实时监测人的体温、ECG、EMG等生理信息. 采用可溶性蚕丝蛋白薄膜为材料, 该研究组还实现了柔性电极阵列记录大脑皮层信号.

图18 (a)集成多种元件的柔性表皮芯片; (b)与皮肤紧密贴合并随之变形

石墨烯材料作为二维材料具有很好的里面形变特性, 具有良好的导电性, 并可以作为半导体电路材料和传感材料. 此外, 当石墨烯层很薄的时候, 也具有很好的透光性, 因此石墨烯也是柔性芯片的理想材料. 韩国的Kim等报道了一种可以把大面积石墨烯薄膜转移到柔性衬底上, 形成可伸缩透明导电薄膜的方法. 薄膜电阻会随应变产生变化, 去掉弯曲负载之后, 电阻值也随之恢复. 因此这种结构可以用作力传感器.

5 结语

经过多年的发展, 微纳机电系统的基本工艺和理论的研究已日渐成熟, 而其多样化和渗透性的特点表现的越来越突出, MEMS已经进入到各个领域和行业, 并且在不同程度上改变着其现状和发展走势. 同时, MEMS也随着这些领域的不停发展而持续进步. 本文侧重讨论和MEMS与IC 的渗透与融合. 虽然MEMS是在IC的基础上发展起来的, 但二者的集成却充满了挑战. 由于台积电在MEMS代工业中的强势介入, 使微纳机电系统与CMOS集成电路的集成步伐大大加快, 也为无晶圆厂模式MEMS设计公司提供了前所未有的契机. 在与纳米融合方面, 一方面新的纳米材料与纳米加工技术越来越多地在微纳机电技术中得到应用, 促进了微机电系统性能提高和新器件的涌现, 另一方面微纳机电系统技术也提供了新的纳米级三维加工手段, 催生了诸如NEMS继电器、存储器等新型的IC 器件. 与生物技术的结合是微纳机电技术的新的增长点, 柔性衬底电极和电路是其中的典型代表, 植入式器件和表皮电子等方面体现出无可替代的优势.

由于MEMS技术的这种强烈的交叉性, 创新性的微纳机电系统研究已经很难从单个团队、单个学科来完成. MEMS的基础研究必须通过多个学科的交叉和融合来完成. 针对生物检测对生命科学研究和临床医学诊断需求, 研究新型生物微机电技术应该引起足够的重视. 另一方面, 由于MEMS从本质上讲是应用性很强的研究领域, 因此, 未来应该支持与MEMS应用相关的研究工作, 大力推进MEMS的产业化, 形成相应的制造能力.