微機(jī)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

肖 順

(南昌航空大學(xué)，江西 南昌 330063)

微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical,簡(jiǎn)稱MEMS)一詞源于美國(guó)，日本稱為微機(jī)械(micro-machining),歐洲稱為微系統(tǒng)(microsystem)是指利用微電子精細(xì)加工手段制造微米量級(jí)內(nèi)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。美國(guó)北卡羅納州科研三角園主任克倫·馬卡斯說過：“微系統(tǒng)就像塑料一樣到處都用，像細(xì)菌一樣無孔不入?！币虼宋⑾到y(tǒng)將成為21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一，它將使人類認(rèn)識(shí)、改造世界的能力有巨大的突破。同時(shí)，微機(jī)電系統(tǒng)作為新興的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，將成為世界矚目的最具潛力的科學(xué)技術(shù)之一。

1 微機(jī)電系統(tǒng)及其特點(diǎn)

微機(jī)電系統(tǒng)是指外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成它的機(jī)械零件和半導(dǎo)體元器件尺寸在微米至納米量級(jí)(10-6～10-9m),可對(duì)聲、光、熱、磁、運(yùn)動(dòng)等自然信息進(jìn)行感知、識(shí)別、控制和處理的微型機(jī)電裝置。MEMS主要包括三個(gè)部分，即微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路。自然界的各種信息作為輸入信號(hào)首先通過微傳感器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后再由微執(zhí)行器對(duì)外界發(fā)生作用。微傳感器能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化，從而將加速度和熱等信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)能夠處理的電信號(hào)。微執(zhí)行器就是根據(jù)信號(hào)處理來控制電路發(fā)出的指令，自動(dòng)地完成人們所需要的各種功能。信號(hào)處理部分能夠根據(jù)控制電路來進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大及計(jì)算等處理。MEMS系統(tǒng)還能通過光、電、磁等形式與外界進(jìn)行通訊，并顯示輸出信號(hào)，或與其它系統(tǒng)協(xié)同工作，從而構(gòu)成一個(gè)更加完整的系統(tǒng)。圖1為MEMS系統(tǒng)與外部世界的相互作用示意。

圖1 MEMS系統(tǒng)與外部世界的相互作用示意

MEMS具有如下特點(diǎn)：

(1)微型化：微系統(tǒng)器件的體積小、重量輕、能耗低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短；

(2)以硅為主要材料的MEMS器件，其機(jī)械電氣性能優(yōu)良；

(3)可批量生產(chǎn)：利用硅微加工工藝在一塊硅片上可同時(shí)實(shí)現(xiàn)上千個(gè)微機(jī)械部件或完整的MEMS的制造，從而大大降低生產(chǎn)成本。

(4)集成化：MEMS可以把多個(gè)器件集成于一體形成更加復(fù)雜的微系統(tǒng)。這樣將微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件集成于一體所組成的MEMS具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。

(5)方便擴(kuò)展：MEMS技術(shù)采用了模塊設(shè)計(jì)，當(dāng)擴(kuò)展系統(tǒng)容量時(shí)，就不需要預(yù)先計(jì)算所需器件/系統(tǒng)數(shù)，直接增加器件/系統(tǒng)數(shù)量即可，這樣使擴(kuò)展容量更加高效便利。

(6)多學(xué)科交叉：微機(jī)電系統(tǒng)本質(zhì)上是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性的研究，集電子、材料、機(jī)械、信息與自動(dòng)控制、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理和能源等多種科學(xué)技術(shù)發(fā)展的簡(jiǎn)單成果于一身，同時(shí)MEMS也為其它學(xué)科的研究與發(fā)展提供了有利的工具。

2微細(xì)加工技術(shù)

(1)體硅加工技術(shù)

體硅微加工技術(shù)是通過腐蝕、鍍膜、鍵合等工藝，在硅基體上有選擇性地除去一部分硅從而獲得所需微結(jié)構(gòu)的工藝。按照刻蝕劑的類型分為干法刻蝕和濕法刻蝕，濕法刻蝕又分為各向同性刻蝕與各向異性刻蝕。體硅微加工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能獲得深寬比較大的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能好、加工工藝簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是與IC工藝不易兼容、加工成本較高。

(2)硅表面微機(jī)械技術(shù)

硅表面微機(jī)械加工技術(shù)是以硅為襯底，利用氧化、沉積、光刻、刻蝕等加工工藝，在犧牲層上沉積多層薄膜圖形，然后利用化學(xué)方法去除犧牲層，從而獲得微結(jié)構(gòu)圖形。此加工技術(shù)加工出的微結(jié)構(gòu)比用體硅微加工技術(shù)加工出的微結(jié)構(gòu)要小，此外，利用硅表面微加工技術(shù)可以加工出外形簡(jiǎn)單、厚度為幾微米的器件，并且能與IC工藝完美的兼容。

(3)固相鍵合技術(shù)

固相鍵合技術(shù)是指不用液態(tài)粘結(jié)劑將兩塊固體材料緊密地結(jié)合起來，并且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的一種方法，主要包括靜電鍵合和直接鍵合兩種方法。

(4)LIGA技術(shù)

LIGA(Lithografie，Galvanoformung，Abformung)技術(shù)是深度X射線刻蝕、電鑄成型和微復(fù)制工藝的完美結(jié)合。其工藝過程為：首先利用同步輻射X射線光刻，將掩模圖案復(fù)制到光刻膠上，然后將金屬沉積填滿光刻膠圖案的空隙，最后將母板進(jìn)行微復(fù)制即可得到高深寬比的微結(jié)構(gòu)。

3 MEMS的應(yīng)用

當(dāng)今，隨著醫(yī)藥、環(huán)保、生物、國(guó)防、航空、航天以及通訊的迅猛發(fā)展，微型化、集成化、智能化已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)的主要發(fā)展方向。MEMS具有許多傳統(tǒng)傳感器所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)——微型化、集成化、智能化、批量化、性能高、成本低等，這些優(yōu)勢(shì)使其在國(guó)防、航空航天、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和生物工程、信息處理和通訊、農(nóng)業(yè)和家庭服務(wù)等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

(1)微型構(gòu)件

由微細(xì)加工技術(shù)制造出的三維微型構(gòu)件有：微齒輪、微渦輪、微電動(dòng)機(jī)、微探針、微軸承、微彈簧、微光學(xué)器件等。它們都是MEMS的基礎(chǔ)機(jī)械部件。隨著微機(jī)械設(shè)計(jì)和加工水平的不斷提高，更多的微型構(gòu)件可以被制造出來。

(2)微傳感器

微傳感器是微系統(tǒng)器件中使用最廣泛的一種。它是一種能將能量從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的器件，能有效地測(cè)出壓力、力、力矩、位移、加速度、流量、磁場(chǎng)、溫度、濃度等物理量和化學(xué)量。微傳感器的種類有很多：聲波傳感器、生物醫(yī)學(xué)傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、熱傳感器、壓力傳感器等。微型傳感器正朝著智能化、集成化的方向發(fā)展。

(3)微執(zhí)行器

微執(zhí)行器是復(fù)雜MEMS的關(guān)鍵。常用的微執(zhí)行器主要有微電機(jī)、微開關(guān)、微諧振器、微閥門和微泵等。其中微電機(jī)是一種最典型的微執(zhí)行器，可以分為直線式和旋轉(zhuǎn)式兩類。將微執(zhí)行器分布成陣列可以達(dá)到意想不到的效果，例如可用于物體的搬運(yùn)、定位。微執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式主要有以下幾種：形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱力驅(qū)動(dòng)、壓電晶體驅(qū)動(dòng)和靜電驅(qū)動(dòng)等。

(4)微型器件及系統(tǒng)

研究和發(fā)展微系統(tǒng)的根本目的就是制造出各種領(lǐng)域的實(shí)用MEMS器件。應(yīng)用較多的是醫(yī)療以及外科手術(shù)設(shè)備，如人造器官、體內(nèi)施藥和取樣微型泵、微型手術(shù)機(jī)器人等；航空航天領(lǐng)域中的微型導(dǎo)航系統(tǒng)、微型衛(wèi)星、微型飛機(jī)等；光學(xué)器件方面主要有光開關(guān)、光交換器和光存儲(chǔ)器等；微能源領(lǐng)域主要有微型內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)、微燃料電池、微蓄電池等。

4 結(jié)束語(yǔ)

MEMS是在微細(xì)加工技術(shù)和IC技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它本質(zhì)上是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性的研究。微系統(tǒng)的重要性不在于其產(chǎn)品本身的尺寸，而是其所利用的微細(xì)加工技術(shù)。微系統(tǒng)的工藝和設(shè)備必將會(huì)給我們的生活帶來巨大的影響。

[1]梅濤，伍小平.微機(jī)電系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005，4～6.

[2]石庚辰.微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002，1～3.

[3]劉錦.微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21(4)：41～44.

[4]張威，張大成，王陽(yáng)元.MEMS概況及發(fā)展趨勢(shì)[J].微納電子技術(shù)，2002，39(1)：22～27.

[5]李炳乾，朱長(zhǎng)純，劉君華.微電子機(jī)械系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].國(guó)外電子元器件，2001(1)：4～8.

[6]徐小云，顏國(guó)正，丁國(guó)清.微電子系統(tǒng)(MEMS)及其應(yīng)用的研究[J].測(cè)控技術(shù)，2002，21(8)：1～5.

[7]Menz M，Paul O；王春海，于杰譯注.微系統(tǒng)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003，1～9.

[8]章吉良，楊春生，陳迪，等.微機(jī)電系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1999:前言.

[9]劉曉斌.微機(jī)電系統(tǒng)和的進(jìn)展分析和研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2002，15(1)：72～75.

[10]Mao M，Wang X，Xie J，et al.Fully self-aligned nickel micromotor fabricated at low temperature[A].Proceedongs of SPIE1 Micromaching and Microfabrication Process Technologies Ⅱ[C].Austin，Texas，USA：1996，236～241.

[11]Romankiw L T.A path：from electroplating through lithographic mask in electronocs to LIGA in MEMS[J].Electrochimica Acta，1997，42(20～22)：2985～3005.

[12]Malek C K，Saile V.Applications of LIGA technology to precision manufacturing of high- aspect-ratio micro-components and -systems：a review[J].Microelectronics Journal，2004，35(2)：131～143.

[13]Ehrfeld W，Gotz F，Muncheyer D，et al.Microfabrication of sensors and actuators for microrobots[C].Proceedings of International Workshop on Intelligent Robots and Systems. Tokyo，Japan，IEEE，1988：3～7.

[14]Ehrfeld W，Gotz F，Munchmeyer D，et al.LIGA Process：sensor construction techniques via X-ray lithography[C].Solid-State Sensor and Actuator Workshop.Hilton Head.SC，USA，IEEE，1988：1～4.

[15]Ehrfeld W，Lehr H.Deep X-ray lithography for the production of three-dimensional microstructures from metals，polymers and ceramic[J].Radiation Physics and Chemistry， Elsevier Science，1995，45(3)：349-365.

[16]趙淳生，陳啟東.微型機(jī)械的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，1998，18(1).

[17]楊友文，王建華.MEMS技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)，2003(3)：29～32.

[18]Zhao Y C，Porsch F，Holzapfel W B.Irregularities of ytterbium under high pressure[J]. Physucal Review B，1994，49(2)：815～817.