微機(jī)械加工技術(shù)及其在傳感器中的應(yīng)用

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467099)

微機(jī)械加工技術(shù)也被稱作是微機(jī)電系統(tǒng)，這是從上個世紀(jì)末興起，在本世紀(jì)初得到快速發(fā)展的新的高科技技術(shù)。由于這一技術(shù)的使用涉及到多個學(xué)科的交叉和融合，無論是物理學(xué)、光學(xué)、力學(xué)還是化學(xué)和生物學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，包括機(jī)械工程、電子信息技術(shù)、材料科學(xué)和信息技術(shù)等，都為該技術(shù)提供了必要的支持，在汽車制造、生物化學(xué)工程、航天航空技術(shù)、精密儀器制造、移動通信以及國際科技等方面都表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿1]。作為在集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興技術(shù)，微機(jī)械加工技術(shù)因其涉及到十分廣泛的領(lǐng)域和在使用中體現(xiàn)出來的重要性，受到了社會的普遍關(guān)注和重視，包括我國在內(nèi)的很多國家都對該技術(shù)上投入了較多的資金和熱情?；诖?，本文對微機(jī)械加工技術(shù)及其在傳感器中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究，希望通過本文的工作為這一技術(shù)的應(yīng)用提供一定的可供借鑒的信息。

1 微機(jī)械加工的基礎(chǔ)技術(shù)

1.1 LIGA 技術(shù)

這一技術(shù)的過去的幾十年中得到了廣泛的應(yīng)用，它能夠加工金屬材料，也能對陶瓷和塑料等非金屬材料進(jìn)行加工。從這一角度講，LIGA 技術(shù)是一種高深寬比的三維加工技術(shù)，其加工的深度能夠達(dá)到數(shù)百微米，加工寬度也能夠縮至1 微米左右。LIGA 技術(shù)以強(qiáng)大的同步加速器為基礎(chǔ)，使其產(chǎn)生的軟X射線經(jīng)由掩模照射，把部件的圖形刻在光敏聚合物層之上，再通過電場把金屬遷移到形成的模型之中，這樣一來，便形成了一個金屬的結(jié)構(gòu)。

1.2 微放電加工技術(shù)

微放電加工技術(shù)的特點在于:它的加工阻力極小，不但能夠加工導(dǎo)電性材料，還能夠加工單晶硅之類的半導(dǎo)體材料，因此，該技術(shù)往往適用于微機(jī)械構(gòu)件的制造。此外，微放電加工技術(shù)能夠解決銀鎢絲或者硬質(zhì)合金絲電極在機(jī)床上成形的關(guān)鍵問題。微放電加工技術(shù)的出現(xiàn)，在經(jīng)過了多年的發(fā)展之后，放電微細(xì)加工的精度、粗糙度和微細(xì)程度都實現(xiàn)了較大的突破，這對本世紀(jì)微機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)的制造與研發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。

1.3 腐蝕技術(shù)

作為形成微結(jié)構(gòu)的重要手段，腐蝕技術(shù)主要涉及到以下幾個不同的方面:(1)電化學(xué)腐蝕技術(shù)。這一技術(shù)以電化學(xué)原理為基礎(chǔ)，是濕法腐蝕技術(shù)的一種，能夠精確控制腐蝕深度，其主要用途在于硅結(jié)構(gòu)的制作;(2)干法腐蝕技術(shù)。這一技術(shù)主要實涉及到等離子體腐蝕、反應(yīng)離子腐蝕和離子束腐蝕等，在分辨率與精度具有明顯的優(yōu)勢;(3)各向異性腐蝕技術(shù)。該技術(shù)通過某些腐蝕液在硅各個晶向上產(chǎn)生的有差異的腐蝕速度，并以此為基礎(chǔ)，制作微結(jié)構(gòu)或者微型零件。

1.4 硅鍵合技術(shù)

鍵合值得是在微機(jī)械加工過程中形成的，使分開制作的部件不通過粘結(jié)劑連接在一起的一種新型技術(shù)，主要涉及到以下方面[3]:(1)靜電鍵合技術(shù)。這一技術(shù)一般用于硅和玻璃之間的鍵合。其原理是在460℃高溫下，硅與玻璃并能夠通過靜電引力鍵合在一起;(2)“硅-硅”直接鍵合技術(shù):在這一技術(shù)下，只有通過高溫便能夠通過原子間的力，將不同的平坦的硅片直接鍵合在一起，使其以一個整體的形式出現(xiàn)。

2 微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用

2.1 石英加速度傳感器

這一傳感器由法國的LETI 制造，通過微機(jī)械加工制作的石英加速度傳感器具有典型的設(shè)計外觀和尺寸。其中，傳感器的厚度是125μm，梁寬為5-8μm，梁長為2 mm，質(zhì)量塊2 mm×2 mm，探測器的間隙是50μm，線圈材料選擇Au(通過電鍍完成)，厚度設(shè)計為3.5μm，而電極則利用機(jī)械掩膜蒸發(fā)完成。這一傳感器的輸出由方程V0/K1 =K0+K1ax+K2a2x+K3a3x+Kyay+Kzaz+ε 進(jìn)行表示，其中K1 指的是比例因子，K0 是偏置;ax、ay、az 為加速度分量，ε 為誤差[4]。

2.2 熱紅外微傳感器

這一傳感器集中使用了為機(jī)械加工技術(shù)，其陣列通過在支持結(jié)構(gòu)上的3mm 長、10μm 厚、440μm 寬的懸臂構(gòu)成。在懸臂靠近自由端的部分沉積上，要設(shè)置具有吸收性能的膜層，在另一端，配置P-Si/Al 熱電偶，其工作原理便是對“塞貝克效應(yīng)”的集中體現(xiàn)。當(dāng)熱紅外微傳感器置于輻射之下時，懸臂自由端的吸收膜層能夠吸收熱量，而當(dāng)熱量通過懸臂長度方向進(jìn)行傳導(dǎo)時，能夠被熱電偶陣列檢測出來。

2.3 角度傳感器

這一傳感器的敏感部分是通過兩個扭轉(zhuǎn)桿支撐的懸浮可動多晶硅結(jié)構(gòu)形成的微機(jī)械擺[5]。角度傳感器的制造技術(shù)或者制造過程為:在具有SiO2絕緣層的硅片上通過LPCVD 法沉積一層多晶硅作下電極，之后再沉積一層SiO2作犧牲層，最后沉積一層相對較厚的多晶硅做為懸浮結(jié)構(gòu)，并通過HF 蒸汽把犧牲層腐蝕掉，從而得到預(yù)期的結(jié)構(gòu)。而當(dāng)有水平或者非軸向的外加恒定磁場存在時，在洛侖茲力的作用下，懸浮的多晶硅結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)動出一個特殊的角度，這樣便能夠蔣策出電壓的向外輸出形式。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器、微執(zhí)行器與微電子機(jī)械系統(tǒng)制作、微機(jī)械部件與結(jié)構(gòu)的加工和制造。作為在硅平面技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，微機(jī)械加工技術(shù)與傳感技術(shù)的結(jié)合得到了經(jīng)濟(jì)社會的廣泛應(yīng)用。本文以此為視角，對微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出了一些結(jié)論，希望這些結(jié)論能夠在一定程度上指導(dǎo)實踐。

[1]虞承端.微機(jī)械加工技術(shù)與微傳感器[J].電子元器件應(yīng)用，2010(5):29-32.

[2]王振龍，趙萬生.微制造系統(tǒng)中的微細(xì)電火花加工技術(shù)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2003(9):23-27.

[3]彭思平，徐家文，李穎，楊倩.微細(xì)電解加工機(jī)理探討[J].電加工與模具，2005(2):26-29.

[4]胡明，馬家志，鄒俊，張之圣.微機(jī)械加工技術(shù)在微傳感器中的應(yīng)用[J].壓電與聲光，2002(4):268-270.

[5]張巧云，呂志清.微機(jī)械加工技術(shù)在傳感器制作中的應(yīng)用[J].壓電與聲光，2008(3):140-144.