MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢

摘要

敘述了在微工程研究領(lǐng)域有代表性的微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)特點，介紹了MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS加速度計等典型的MEMS產(chǎn)品，概述了MEMS基礎(chǔ)理論研究進展以及國外對MEMS陀螺儀、MEMS加速度計的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了MEMS技術(shù)在飛航導彈等飛行器上的應(yīng)用優(yōu)勢。

引言

新興的微米與納米技術(shù)正在派生出一門新興學科叫微工程，它專門研究具有納米、微米和毫米尺寸的實體結(jié)構(gòu)的三維小型傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計、材料合成、微機械加工、組裝、總裝和封裝。利用這項技術(shù)可以把傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及信號和數(shù)據(jù)處理器做在同塊芯片上，構(gòu)成件微型儀表。目前，研究和開發(fā)微納米級的微機電系統(tǒng)和專用微型儀表(ASIM),包括微納米傳感器、傳動件、執(zhí)行器以及智能材料等已成為熱門課題。20世紀70年代興起的微電子機械系統(tǒng)，是集執(zhí)行器和傳感器等微型裝置、微型機構(gòu)、微尺度驅(qū)動、控制與處理集成電路(IC)為一體的微型系統(tǒng)。隨著MEMS的出現(xiàn)和發(fā)展，航天微系統(tǒng)時代將伴隨而來。MEMS技術(shù)的發(fā)展，為未來飛航導彈等高端航天航空飛行器的設(shè)計提供很大的發(fā)揮空間。

1 MEMS的技術(shù)特點和典型產(chǎn)品

1)MEMS的技術(shù)特點

基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的傳感器一般是由硅基材料和利用半導體集成電路制造工藝制造而成的集微機械、微電子功能高度綜合的傳感器系統(tǒng)，它具有顯著的尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低、可靠性高、抗振動沖擊能力強等特點。同時，在微米量級的特征尺寸使得它們可以完成某些傳統(tǒng)傳感器所不能實現(xiàn)的功能。目前研制的MEMS產(chǎn)品主要包括微機電陀螺儀、微機電加速度計及微壓力計等在內(nèi)的微機電傳感器。由于在尺寸、質(zhì)量、功耗和可靠性等方面的突出特點，MEMS傳感器被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和抗惡劣環(huán)境要求高的場合。

2)MEMS壓力傳感器

微機電壓力傳感器是最早開始研制、最早開始產(chǎn)業(yè)化的MEMS產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)。目前，壓阻式壓力傳感器的精度可達0.05%-0.01%，溫度誤差為0.0002%，耐壓可達幾百兆帕，過壓保護范圍可達傳感器量程的20倍以上，并能進行大范圍下的全溫補償。硅微諧振式傳感器除了具有普通微傳感器的優(yōu)點外，還具有準數(shù)字信號輸出，抗干擾能力強，分辨力和測量精度高的優(yōu)點。并且將敏感元件與信號調(diào)理電路高度集成在一塊芯片上，大大提高可靠性和減低制造成本，具有很好的應(yīng)用前景。

3) MEMS加速度計

運動載體的線運動加速度是通過加速度傳感器測量的，硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進入市場的MEMS傳感器。其主要類型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式，最具有吸引力的是力平衡加速度計。其主要的制造手段是硅片表面微機械工藝和BiCMOS技術(shù)。目前工程化的MESM加速度計精度在國外已達到100ug以內(nèi)。

4)MEMS陀螺儀

飛行器飛行姿態(tài)運動是用陀螺儀來進行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度。常見的MEMS陀螺儀有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音義結(jié)構(gòu)、振動環(huán)結(jié)構(gòu)等，通過被激勵的振動體對哥氏加速度的敏感來測量角速度。1988年，美國德雷伯實驗室研制出第一臺框架式角振動微機電陀螺儀，1993年又研制出性能更好的音叉式線振動陀螺儀。影響其應(yīng)用的主要問題是精度限制，提高精度的手段主要是改進微細加工工藝和誤差分離/補償技術(shù)。

2國外MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 MEMS基礎(chǔ)理論研究發(fā)展

MEMS不同于傳統(tǒng)機電系統(tǒng)，自身還有宏觀物理學難以解釋和預測的特定規(guī)律，諸如微構(gòu)件力學性能、微摩擦機理、微流體力學、微傳熱學等基礎(chǔ)理論研究仍然需要深入探索和關(guān)注。對于某些微納尺寸構(gòu)件或系統(tǒng)，其微尺度效應(yīng)與宏觀現(xiàn)象差異很大，甚至發(fā)生質(zhì)的變化，諸如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)、微觀摩擦機理、熱傳導、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件力學性能等。在微觀領(lǐng)域，與物體特征尺寸成高次方的慣性力、電磁力作用會隨著特征尺寸的減小而快速下降，與特征尺寸成低次方的黏性力、彈性力、靜電力、范德華力等減小的速度會慢的多，比高次方的力相對增大;在許多情況下，重力和慣性力可忽略，表面力和靜電引力成為對系統(tǒng)性能起主導影響作用的因素.微構(gòu)件相對運動時，表面摩擦力、潤滑膜粘滯力表現(xiàn)突出;微觀摩擦將取決于構(gòu)件表面間的分子作用力，而不再是載荷壓力，牛頓摩擦定律在此已不適用。在微流體力學中，微管道中液體的輸送機理和外在表現(xiàn)與Navier-Stokes流體方程出現(xiàn)偏離，需要基于微流體動態(tài)測試平臺進行修正。在微尺度傳熱學中，微槽、微孔、微管等微器件內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱特性亦與宏觀傳熱油很大差異。

目前，MEMS基礎(chǔ)理論研究已取得一些研究進展，并開發(fā)出一些測試儀器或系統(tǒng)對微尺度理論體系進行完善，但尚不系統(tǒng)化，有待于進一步對微結(jié)構(gòu)學、微動力學、微流體力學、微摩擦學、微熱力學、微電子學、微光學、微生物學等進行研究。

2.2 MEMS加速度計發(fā)展現(xiàn)狀

美國ADI公司最早實現(xiàn)加速度計結(jié)構(gòu)和電路的單片集成，自1993年第1只表面硅工藝生產(chǎn)的硅加速度計出售至今，以ADXI5O為代表的微慣性器件全球銷量已超過l億件。其器件不斷朝高性能、小體積方向發(fā)展，此類加速度計主要針對工業(yè)傳感領(lǐng)域，如汽車氣囊的彈射觸發(fā)等.ADI公司微加速度計的性能發(fā)展列于下表。

為了減小體積和成本，ADI公司還進行了雙軸單片集成硅加速度計的研制，成品為ADXL203雙軸硅微加速度計，量程為1.7 g,精度為5.0 mg。加州大學伯克利分校采用2um標準CMOS工藝研制的三軸加速度計，芯片見圖1。3個分離的檢測質(zhì)量為2um厚的多晶硅，其檢測電路包括約1000個晶體管。另外，伯克利分校還報道了一種采用單質(zhì)量塊實現(xiàn)的三軸加速度計,Litton SiACTM硅加速度計為其典型的代表，量程超過100g,零偏優(yōu)于20ug,標度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于5x10的-5次方。采用全硅結(jié)構(gòu)，體積小、質(zhì)是輕、功耗低。此類加速度計針對導航和制導領(lǐng)域如小型無人機的導航和控制、短程戰(zhàn)術(shù)武器制導等等，已廣泛應(yīng)用于LN-200、 LN-200S、LN-300等慣性測量組合上，以及LTN-101E、LI-SA-200兩種民用和軍用飛機慣性導航系統(tǒng)上。

LN-200 1MU采用SiACTM微機械加速度計，自1994年來一直高產(chǎn)。LN-200已廣泛用于空間姿態(tài)穩(wěn)定、導彈制導、雷達穩(wěn)定裝置等。已成功地應(yīng)用于AGM-142空地導彈、BQM-74E亞聲速靶機、蘭天機載吊倉式光電系統(tǒng)、全球鷹無人機及先進中距空空導彈等武器平合上。

德國Litef公司B-290硅加速度計如圖2所示，擺片采用4次雙面掩膜，面積為6mm x 6mm，在KOH溶液中控制硅片刻蝕時間，電路采用脈沖調(diào)寬、數(shù)字輸出、閉環(huán)控制方案。量程為10g，標度因數(shù)穩(wěn)定性達到3x10的-4次方，偏置穩(wěn)定性為250ug，B-290硅加速度計已經(jīng)于1995年與光纖陀螺組合成1MU。

2.3 MEMS陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀

硅微陀螺儀是以微機械工藝為基礎(chǔ)制作的慣性儀表，與傳統(tǒng)慣性元件相比，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、易集成、抗過載能力強和可批量生產(chǎn)等特點。

微機械陀螺的研究始于20世紀80年代.1985年，Drape實驗室首先開始研制微機械陀螺，先后采用框架式角振動方案、音叉式線振動方案及振動輪式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1個單片集成的商用陀螺儀產(chǎn)品ADXRS，它將敏感質(zhì)量塊限制在多品硅框架內(nèi)，使其只能沿個方向振動。檢測電極用來檢測由哥氏力引起的振動位移.該芯片同時將檢側(cè)電路與敏感結(jié)構(gòu)集成在一起，一方面大大減少了嗓聲信號的影響，同時減小了芯片的體積和功耗，此類陀螺儀主耍針對工業(yè)傳感領(lǐng)域。加州大學伯克利分校于20世紀90年代中期率先開始研究雙輸入軸微機械陀螺儀.初期研制的陀螺儀檢測質(zhì)量塊為直徑300um，厚2um的多晶硅圓盤。支撐件為4根由圓盤外側(cè)向外延伸的彈性梁。圓盤周圍有12對梳齒，分別作靜電驅(qū)動和驅(qū)動檢測之用。該陀螺儀采用表面微加工工藝加工。與超大規(guī)模集成電路工藝兼容。在7.89Pa的真空環(huán)境下，該陀螺儀驅(qū)動模態(tài)品質(zhì)因數(shù)為960。開環(huán)試臉表明，當驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的自然頻率相差1.4%時，隨機游走為10 P/h。經(jīng)改進的陀螺儀由Sandia國家實驗室加工。目前已與Z軸陀螺儀和三軸加速度計一起構(gòu)成單片IMU。

采用和IC工藝兼容的MEMS工藝，實現(xiàn)的六自由度慣性傳感器系統(tǒng)如圖3所示，最大尺寸方向小于10mm。加速度計分辨率小于1mg,陀螺儀分辨率小于1P/s。由于實現(xiàn)了單片集成，有效減小體積、功耗，同時降低成本。

針對導航和制導領(lǐng)域應(yīng)用要求，Litton公司于1996年開始微機械陀螺儀SiCyTM的研制，2003年SiCyTM實現(xiàn)1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。噴氣推進實驗室研制的四葉式硅陀螺，采用體加工技術(shù)和超精密機械加工,最后經(jīng)微組裝工藝裝配。體積為73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期時零偏穩(wěn)定性已達到1P/h,目標是應(yīng)用于微小衛(wèi)星的導航控制。

同時日本、澳大利亞、加拿大等國家部開展了基于MEMS慣性儀表技術(shù)的研究工作。

3 MEMS應(yīng)用優(yōu)勢

MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特點突出，應(yīng)用前景良好.主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)體積越來越小，精度越來越高，設(shè)計方案呈多樣化。

例如MEMS陀螺先后經(jīng)歷振動框架式、諧振音叉式、振動輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等形式，陀螺漂移10 P/h.硅微加速度計先后經(jīng)歷叉指式、三明治式、諧振梁式等技術(shù)方案，零偏和標度因素由10 mg達到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型雙軸加速度計體積僅為5 mm x 5 mm x l .45 mm,質(zhì)量小于Ig。硅微陀螺ADXRS系列產(chǎn)品尺寸為7mm x 7mm x 3mm,質(zhì)量小于1g。技術(shù)方案的不斷創(chuàng)新，從工作機理上減少了誤差源，提高了精度。

2) 工藝和封裝技術(shù)日趨成熟

MEMS藝主要包括:面加工技術(shù)，體加工技術(shù)，基于絕緣基體硅工藝等等。面加工技術(shù)主要是基片上淀積或生長多晶硅層來制造微機械結(jié)鉤。體加工技術(shù)的基礎(chǔ)是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機械結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、雙面光刻以及各向異性刻蝕而成，然后與上下層精密鍵合成一個整體。S01工藝結(jié)合前兩者的優(yōu)勢，它可以得到高質(zhì)量的單品硅獨立結(jié)構(gòu)，同時保留面加工。具有尺寸小、與IC工藝兼容、價格低的批量生產(chǎn)優(yōu)點。目前，上述3類工藝工序操作和控制都得到了發(fā)展和提高，完善了微敏感結(jié)構(gòu)工藝工序的膜厚、線寬以及內(nèi)應(yīng)力的檢測，微結(jié)構(gòu)高深寬比的三維尺寸加工精度能夠得到較好的保證，全硅敏感結(jié)構(gòu)工藝正在開發(fā)和完善。

3) 工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成功案例越來越多。

MEMS技術(shù)正在不斷融合，向提高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，成功的應(yīng)用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工藝的MEMS慣性器件大量應(yīng)用于民用和工業(yè)傳感領(lǐng)域，產(chǎn)品銷量己經(jīng)達到幾億只，每只售價僅幾十美元。可廣泛用于姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)以及短距離的戰(zhàn)術(shù)武器制導，還可以和全球定位系統(tǒng)(GPS)組合構(gòu)成導航系統(tǒng)，如Litton公司研制的體硅工藝的MEMS慣性器件LN300已經(jīng)裝備15000套。

4)為冗余控制、精確控制設(shè)計與實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)飛行器上的控制系統(tǒng)姿態(tài)敏感和調(diào)控設(shè)備因為體積大，能耗大，多設(shè)備冗余設(shè)計只能通過增大飛行器體積，犧牲飛行器速度或有效航程為代價:慣導、陀操儀、加速度計等姿態(tài)測量器件也不可能在飛行器上大范圍內(nèi)布放。MEMS為基礎(chǔ)的器件則不同，因為體積、質(zhì)量、能耗、精度各方面的綜合性能優(yōu)越，為其在飛行載體上的大量使用奠定了基礎(chǔ)，飛行器上控制系統(tǒng)實現(xiàn)二級冗余、三級冗余乃至N級獨立的冗余控制方案的設(shè)計和實現(xiàn)提供了現(xiàn)實基礎(chǔ);還可以通過多點布放，將飛行器姿態(tài)的測量由傳統(tǒng)的局限式的點式測量，可以拓展到網(wǎng)絡(luò)式的面基測量或三維體式測量，為探索和應(yīng)用新的測量方法，提高測量精度提供了有力的支撐。