MEMS技術(shù)概述

MEMS成為當今世界的研究熱點，各國的科技工作人員將其作為一個獨立的邊緣學科站展開國際范圍內(nèi)的學術(shù)與工程研究。

MEMS的定義微機電系統(tǒng) 是集多個微機構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、控制電路、通信接口及電源于一體的微型電子機械系統(tǒng)。起源于微電子技術(shù)，并在機械領(lǐng)域或機電一體化領(lǐng)域拓寬和延技伸。有人將用于通信、多媒體、網(wǎng)絡(luò)和智能等領(lǐng)域中的技術(shù)，形成了光 技術(shù) 和射術(shù)稱為信息頻 微波無線電通訊系統(tǒng)中的 。

研究的主要對象

MEMS的主要研究內(nèi)容： 基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究、MEMS材料和MEMS 的制造工藝研究。

基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究

理論基礎(chǔ)：一般的學科常常是先有了基礎(chǔ)理論，然后才會有工程應(yīng)用，但MEMS 技術(shù)卻一種工程應(yīng)用先于基礎(chǔ)理論的技術(shù)學科，其工程實際應(yīng)用往往超前于基礎(chǔ)理論，因此MEMS中涉及到的基礎(chǔ)理論研究有待于加強。這種現(xiàn)象并非在MEMS中獨有，例如材料的塑性加工技術(shù)中的基礎(chǔ)理論部分就比較薄弱，卻也能夠得到很好的工程應(yīng)用。我們知道，當構(gòu)件的幾何尺寸縮小到毫米或微米量級時，很多宏觀的理論已經(jīng)不適用于，有許多宏觀物理量需要重新定義，這也可能就是 納米需要對微小型化的尺寸效應(yīng)和技術(shù) 的魅力所在。因此理論基礎(chǔ)做進一步研究，包括微結(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、微光學和微生物學等。

技術(shù)基礎(chǔ)：基于 與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)在理論基礎(chǔ)上的差異，它所涉及的技術(shù)基礎(chǔ)研究也與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)不同。主要涉及到的研究領(lǐng)域有：微系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、微系統(tǒng)材料、復雜可動結(jié)構(gòu)微細加工、微裝配與封裝、微測量、微系統(tǒng)的集成與控制和微宏接口等技術(shù)。

設(shè)計技術(shù)：主要研究設(shè)計方法 其中計算機輔助設(shè)計 是有力工具。計算機技術(shù)的進步使 技術(shù)在器件的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用 有限元分析技術(shù)可以預測和模擬 器件的靜態(tài)和動態(tài)性能。 設(shè)計應(yīng)包括：器件模擬、系統(tǒng)校驗、封裝、優(yōu)化、掩模板設(shè)計和過程規(guī)劃等還應(yīng)建立混合的機械、熱和電氣的耦合模型。但是 設(shè)計技術(shù)又不同于常規(guī)的機電系統(tǒng)設(shè)計，這是由于當機械的尺寸縮小時，由于表面的摩擦力增加可能會導致建模分析時會遇到許多機械本身無法工作。因此，進行新的問題，在實踐中要開發(fā)快速的計算表面作用力算法、宏模型的建立、多物理場耦合分析等，并且可以采用 等軟件。進行耦合場的分析等.

MEMS材料

MEMS材料包括用于敏感元件和致動元件的功能材料、結(jié)構(gòu)材料和智能材料， 材料應(yīng)具有良好機械、電氣性能和適合微細加工的新材料。 中使用的結(jié)構(gòu)材料通常是以硅為主體的半導體材料;功能材料包括壓電材料、超磁致材料、光敏材料等;智能材料以形狀記憶合金為主。此外還有玻璃、陶瓷等材料及其力學分析是 設(shè)計的重要方面，其研究的關(guān)鍵問題包括材料及物理性能的研究和 結(jié)構(gòu)的力學分析與失效研究等。

MEMS的制造工藝是 的核心技術(shù)，也是 研究領(lǐng)域中最為活躍的部分，加工 器件的技術(shù)目前主要有以下三種。面向MEMS 的微細加工技術(shù)是在集成電路的基礎(chǔ)上形成，先后有了超精密機械加工、深反應(yīng)離子刻蝕、LIGA及準LIGA技術(shù)和分子裝配技術(shù)等。其加工手段包括電子束、離子束、光子束、原子束、分子束、等離子、超聲波、微波、化學和電化學等。MEMS研究已從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進入開發(fā)使用階段，目前，MEMS的應(yīng)用研究對象主要包括微構(gòu)件、微傳感器、微執(zhí)行器、MEMS專用 器件及系統(tǒng)等。這些研究成果的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，涉及到信息通訊、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學和航空航天等。因此MEMS技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

MEMS加工技術(shù)

如前所述， 加工技術(shù)主要分為三種，分別以美國為代表集成電路技術(shù)、日本以精密加工為特征的MEMS 技術(shù)和德國的LIGA技術(shù).

第一種是以美國為代表的硅基 技術(shù)，它是利用化學腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進行加工，形成硅基器件。這種方法可與傳統(tǒng)的 工藝兼容，并適合廉價批技術(shù)量生產(chǎn)，已成為目前的硅基主流.各向異性腐蝕技術(shù)就是利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點而進行腐蝕技術(shù)，其主要特點是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關(guān)。它靠調(diào)整器件結(jié)構(gòu)，使它和快腐蝕的晶面或慢腐蝕的晶面方向相適應(yīng)，利用腐蝕速度依賴雜質(zhì)濃度和外加電位這一特性可以實現(xiàn)適時停止腐的精密三維結(jié)構(gòu)。固相鍵合技術(shù)就是不用液態(tài)粘連劑而將兩塊固體材料鍵合在一起，且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽極鍵合 靜電物理作用 和直接鍵合兩種。陽極鍵合主要用玻璃鍵合，可以使硅與玻璃兩者的表面之間的距離達到硅分子級。直接鍵合技術(shù) 依靠化學鍵 主要用于硅 硅鍵合，其最大特點是可以實現(xiàn)硅一體化微機械結(jié)構(gòu)，不存在邊界失配的問題。表面犧牲層技術(shù)由美國加州大學分校開發(fā)出來的，它以多晶硅為結(jié)構(gòu)層，二氧化硅為犧牲層。表面犧牲層技術(shù)與集成電路技術(shù)最為淀積的基礎(chǔ)上，利用光刻、腐蝕等相似，其主要特點是在薄膜:常用工藝制備微機械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術(shù)釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可動結(jié)構(gòu)。最成功的表面犧牲層技術(shù)目前采用多晶硅薄膜作結(jié)構(gòu)材料、二氧化硅薄膜作犧牲層材料，該工藝為薄膜工藝，最大的優(yōu)點是容易將機械結(jié)構(gòu)與處理電路批量集成制造。

第二種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段，用大機器制造小機器，再用小機器制造微機器的方法。此加工方法可以分為兩大類：超精密機械加工及特種微細加工。超精密機械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象以下。此材料進行切削加工，所得的三維結(jié)構(gòu)尺寸可在技術(shù)包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。特種微細加工技術(shù)是通過加工能量的直接作用，實現(xiàn)小至逐個分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機械加工和特種微細加工技術(shù)的加工精度已達微

左右的齒輪等微機米、亞微米級，可以批量制作模數(shù)僅為械元件，以及其它加工方法無法制造的復雜微結(jié)構(gòu)器件。

第三種是以德國為代表的 LIGA技術(shù)，它是利用X 射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和鑄塑工藝，形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。LIGA技術(shù)可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細結(jié)構(gòu)，其加工深度可達幾百微米。LIGA技術(shù)與其它立體微加工技術(shù)相比有以下特點：可制作高度達數(shù)百至1000UM，深寬比可大于200 ，側(cè)壁·可平行偏離在亞微米范圍內(nèi)的三維立體微結(jié)構(gòu);

·對微結(jié)構(gòu)的橫向形狀沒有限制，橫向尺寸可以小到0.5UM，精度可達 0.1UM;·用材廣泛，金屬、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作為

的加工對象;·與微電鑄、鑄塑巧妙結(jié)合可實現(xiàn)大批量復制生產(chǎn)，成本低。

LIGA的主要工藝步驟如下：在經(jīng)過 光掩模制版和 光深度光刻后，進行微電鑄，制造出微復制模具，并用它來進行微復制工藝和二次微電鑄，再利用微鑄塑技術(shù)進行微器件的大批量生產(chǎn)。

由于所要求的同步 X射線源比較昂貴，所以在LIGA的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了準 技術(shù) ，它是用紫外光源代替同步X 射線源，雖然不能達到L,IGA 加工的工藝性能，但也能滿足微細加工中的許多要求。由上海交通大學和北京大學聯(lián)合開發(fā)、具有獨立知識產(chǎn)權(quán)DEM 技術(shù)，也屬于LIGA技術(shù)中的一種。該技術(shù)采用感應(yīng)耦合等離子體深層刻蝕工藝來代替同步輻射光深層光刻，然后進行常規(guī)的微電鑄和微復制工藝，該技術(shù)因不需要光源和特制的 光掩摸板而具有廣泛的應(yīng)昂貴的同步輻射 。

MEMS的應(yīng)用

完整的MEMS系統(tǒng) 是由實體結(jié)構(gòu)、微控制器、微傳感器、微致動器，以及動力源等組成的復雜系統(tǒng)。但到目前為止，完整的

尚處于概念研究階段，真正形成實用化商品的微系統(tǒng)僅是一些微傳感器、微致動器等微結(jié)構(gòu)裝置。這些產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于信息、汽車、醫(yī)學、宇航和國防等領(lǐng)域。

信息 技術(shù)能在一個芯片和微型系統(tǒng)上將信息獲取、信息傳輸、信息處理及信息執(zhí)行等功能集成起來。信息器件可以取代信息領(lǐng)域中所采取的傳統(tǒng)器件，會促進信息產(chǎn)品的集成化、微型化、智能化，提高器件和系統(tǒng)的性能，降低功耗。目前已經(jīng)開發(fā)出許多用于通信系統(tǒng)的器件，有光開關(guān)、光調(diào)制器、光纖對準器和集成化光編碼器等。MEMS器件主要是微傳感器。

在汽車工業(yè)中使用最廣泛的MEMS高精度、高效率、高可靠性和低成本的傳感器可以使汽車的各個系統(tǒng)更加智能化，安全性能更高。這些微傳感器主要包括以下幾種：微壓力傳感器，主要用于根據(jù)需要控制發(fā)動機的工作狀態(tài)，以及檢測輪胎壓力;微加速度計，主要用于汽車的安全氣囊系統(tǒng)檢測和監(jiān)控前面后面的碰撞;微角加速度計，主要用于車輪側(cè)滑和打滾控制，改善汽車剎車、安全性能和導航性能等。

生物細胞尺寸的數(shù)量級在微米到納米之間，與MEMS尺寸的數(shù)量級相當，另外臨床分析與基因分析所用的儀器也需MEMS技術(shù)制造，所以 在醫(yī)學上的應(yīng)用也很廣泛。主要有以下幾個方面：人造器官、體內(nèi)顯微手術(shù)、臨床化驗分析、基因分析、遺傳診斷和試驗儀器等

世界各國都高度重視在航天與軍事上的應(yīng)用，涉及以下幾個方面。

微電機

微電機作為 的核心驅(qū)動設(shè)備，一直是 研究的熱點和突破點，根據(jù)電機的工作原理微電機可以分為以下幾類

靜電微電機，它選擇靜電作為微電機的換能形式，以靜電力代替體積力起主導作用;

電磁微電機，它是依照傳統(tǒng)的電磁原理制成的，具有驅(qū)動力矩大的優(yōu)點，可作為微型機器人和微型

諧振式微電機，它是靠機械諧振驅(qū)動的電飛行器的動力源;具有高運轉(zhuǎn)精度和高轉(zhuǎn)速的特性; 壓電微電機，是美國利用其先進的IC工藝和材料技術(shù)率先制造出來的，具有低電壓驅(qū)動、無電磁場干擾、不需懸浮等優(yōu)良特性，是 MEMS中最有前途的微驅(qū)動器之一。

導航領(lǐng)域

MEMS陀螺和慣性測量系統(tǒng) ， 在導航中起到關(guān)鍵作用，它可以提供運動物體的姿態(tài)、位置和速度等信息。采用MEMS技術(shù)制造的微慣性測量組合系統(tǒng)，沒有轉(zhuǎn)動的部件，在壽命、可靠性、成本、體積和質(zhì)量等方面都要優(yōu)于常規(guī)的慣性儀表。

納米衛(wèi)星

從太陽能電池到導航模塊和通信模塊都是硅材料制造的制造工藝是納米級的，目前正在研究的一種簡單的納米衛(wèi)星可以由外表帶有太陽能電池和天線的、在硅基片上堆砌的專用集成微型儀器而組成，在體積和質(zhì)量上都小得多，而且成本也低許多，應(yīng)用更為廣泛。

微型飛行器

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，作為新型的戰(zhàn)場偵察和對敵對通信進行干擾的裝備已經(jīng)成為信息戰(zhàn)的重要組成部分。 1995年美國率先提出了微型飛行器的概念，并在這方面取得了突破性的成果，預計5至10 年內(nèi)，就能研制出可供實際使用的微型飛行器。

微型軍用機器人

這種機器人通常由傳感器系統(tǒng)、信息處理與自主導航系統(tǒng)機動系統(tǒng)、破壞系統(tǒng)和驅(qū)動電源組成。微型軍用機器人大致可以分為三種類型：固定式、移動式和昆蟲式微型機器人。這些機器人是廉價的，可以大批量部署?？梢源嫒诉M入人難以進入或危險的地區(qū)進行偵察、排雷和探測生化武器等。

MEMS的研究狀況

自1989 年制造出直徑只有頭發(fā)絲大小的微馬達以來，MEMS技術(shù)就開始受到世界各國的高度重視。 1993年美國ADI公司采用MEMS 技術(shù)成功地將微型加速度計商品化，并大批量用于汽車防撞氣囊，標志著MEMS 技術(shù)商品化的開端。1992 年美國國家關(guān)鍵技術(shù)管理機構(gòu)計劃把 微米級和納米級制造 列為在經(jīng)濟繁榮和國防安全兩方面都至關(guān)重要的技術(shù) 。

國外許多大型企業(yè)、實驗室及高校都積極投入到研究的各個領(lǐng)域，并取得了許多成就。美國加州斯坦福大學與加州理工學院協(xié)作研究開發(fā)了腦細胞組織探針，還與公司聯(lián)手開發(fā)了深度活性離子蝕刻 技術(shù)。俄亥俄州的大學正在進行微機械加工生物傳感器高密度陣列結(jié)構(gòu)。朗訊公司的貝爾試驗室在光開關(guān)、光調(diào)制器、分插復用器上也取得了突破。日本東北大學正在研制一種作為驅(qū)動器的自主式移動內(nèi)用窺鏡系用形狀記憶合金機器人。加拿大 大學研制出最高分辨率為 的遙控納米專利數(shù)正呈指數(shù)增長，說明

。近年來國際上MEMS技術(shù)的全面發(fā)展和產(chǎn)業(yè)快速起步的階段已經(jīng)來到。目前，國外已研制成的 器件有微閥門、微彈簧、微齒輪、微馬

達、微陀螺、微型慣性測量組合、硅微壓力傳感器和微加速度計等已成為商品，并且應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。

MEMS技術(shù)已開始在我國的社會生活中發(fā)揮作用，微操作機器人已開始用于生物工程中的細胞分割、顯微手術(shù)和生物芯片的制造工藝中;微傳感器已用于飛行器的加速度、壓力等參數(shù)的實時測量;納米薄膜潤滑技術(shù)已用于 長征三號 火箭和計算機硬盤的制造工藝上。但是由于歷史原因造成的條塊分割、產(chǎn)業(yè)界對MEMS認識尚不明確，MEMS的研究還量分散，而且主要是國家投資，因而投資力度嚴重不足，盡管已有不少成果，但在質(zhì)量、性能價格比及商品化等方面與國外的差距還很大。

結(jié)束語

MEMS技術(shù)從 世紀 年代末開始受到世界的廣泛重視以來，到現(xiàn)今短短的十幾年里，已經(jīng)在幾乎所有的自然和工程領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。我國應(yīng)充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)，緊貼國際MEMS技術(shù)發(fā)展的大脈搏，根據(jù)國家發(fā)展戰(zhàn)略方針，在對社會經(jīng)濟發(fā)展有重要影響的工業(yè)自動化、信息技術(shù)等行業(yè)，掌握與MEMS 技術(shù)相關(guān)的設(shè)計、加工、測試、封裝、裝配和系統(tǒng)集成等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)該采取目標產(chǎn)品帶動關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)研究帶動器件開發(fā)，逐步建立起我國 研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地。