微電子機械系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用實踐微探

王寧 山東大學微電子學院

在現(xiàn)代科學技術(shù)水平持續(xù)發(fā)展中，人們對微型裝置設(shè)計提出了更高要求，尤其是在航天航空、醫(yī)療器械及數(shù)字通信等領(lǐng)域當中，機械裝置微型化發(fā)展的需求越來越多。因此，在新時代背景下，針對微電子機械系統(tǒng)進行深層探索，不僅可以滿足知識經(jīng)濟時代發(fā)展提出的制造需求，而且能為多個行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供新的平臺。下面對微電子機械系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用實踐進行研究。

一、概念

其作為微電子電路與微機械制動器整合的微型裝置，包含處理電路、微型傳感器等內(nèi)容，可以在電路信息的引導下實施機械操作，同時也能結(jié)合傳感器獲取外界信息，并在電路系統(tǒng)處理放大后，為制動器的機械操作提供有效依據(jù)。換句話說，微電子機械系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢要高于以往機械電子技術(shù)。通過以微電子技術(shù)為核心，充分融合微電子、傳感器及微機械技術(shù)，微電子機械系統(tǒng)技術(shù)可以為當前各個行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)革新技術(shù)，因此對未來社會經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)具有積極作用[1]。

二、微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的特點

（一）微型化。通常情況下，機械加工技術(shù)都會達到厘米以上，而微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的加工可以達到納米以上。在這一背景下，各行業(yè)領(lǐng)域在引用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)進行裝置制造時，不管是能源消耗還是體積重量等都有了改變，且方便安裝和攜帶。

（二）集成化。一般來講，體積小的東西更容易集成化。因此，微電子機械系統(tǒng)技術(shù)制作出的微小器件，可以方便集成操作，并構(gòu)建多種功能的陳列，有的還可以形成更為繁瑣的微系統(tǒng)。

（三）硅基材料。硅作為微電子機械系統(tǒng)制造器件的重要材料，其擁有的強度和硬度與鐵一致，密度與鋁接近，且成本支出非常少，熱傳導率也與鎢和鋁逼近。因此，在引用微電子機械系統(tǒng)技術(shù)進行裝置制造時，會將硅選作理想材料，進而實現(xiàn)預期設(shè)定的大批量生產(chǎn)目標。

（四）智能化。通過引用硅的光電效應(yīng)可以制造光電傳感器，而結(jié)合壓阻效應(yīng)能制造微力學傳感器。為了提升微電子機械系統(tǒng)的信噪比，可以充分融合以硅為基材料的傳感、信號處理與轉(zhuǎn)換電路，這樣不僅能加強微電子機械系統(tǒng)測量工作的靈敏性和準確性，且可以提升響應(yīng)速度，減少不必要的操作步驟。

三、微電子機械系統(tǒng)技術(shù)類型分析

（一）體微機械加工技術(shù)

這種技術(shù)是指，依據(jù)摻雜和結(jié)晶濕化學腐蝕，可以讓整體材料加工成微機械結(jié)構(gòu)，如單晶硅基片等。其在應(yīng)用過程中，最大的優(yōu)勢在于可以更簡便制造出較大的器件，而缺點為無法制造精確性和靈敏度極高的系統(tǒng)。由于這種技術(shù)不能用于器件的平面化布局工作中，因此無法與微電子線路直接兼容。當前，體微機械加工技術(shù)最常引用在加速度傳感器和壓力傳感器中[2]。

（二）表面微機械加工技術(shù)。這種技術(shù)是指，引用集成電路中的平面制造技術(shù)進行裝置制造。了解當前微機械機械系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用情況可知，其在制造過程中，一方面會用電連結(jié)的多晶硅層，另一方面會用更多的機械加工多晶硅層，兩者可以構(gòu)建多種機械部件。這種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢在于可以全面引用現(xiàn)代化IC生產(chǎn)工藝，且可以科學管控機械部件尺度，促使其與IC完全兼容。而在應(yīng)用中受沉積薄膜厚度的制約，這種技術(shù)制造的機械結(jié)構(gòu)大都是二維的。需要注意的是，隨著機械加工層的增加，雖然可以制造功能更強、內(nèi)容越發(fā)復雜的微型機械，但也會涌現(xiàn)出大量難以解決的問題，如平面化問題、布局設(shè)計等。

（三）金屬微機械加工技術(shù)。上述兩種技術(shù)都是以硅為核心的加工技術(shù)，而這種技術(shù)是以傳統(tǒng)機械加工技術(shù)為核心革新提出的，主要引用LIGA技術(shù)進行操作。其中，LIGA工藝是指以X射線光刻技術(shù)為核心的微機電加工技術(shù)，具體操作步驟分為：其一，X光深度同步輻射光刻；其二，電鑄制模；其三，注模復制。

（四）復合微機械加工技術(shù)。這種技術(shù)屬于體微機械加工技術(shù)與表面微機械加工技術(shù)的有效融合，不僅可以充分展現(xiàn)其他兩種技術(shù)的制造優(yōu)勢，而且可以有效避免它們存在的缺陷。

四、微電子機械系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用分析

了解當前市場發(fā)展情況可知，微電子機械系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣，涉及到生物、電子及航天等多個行業(yè)領(lǐng)域，下面對最常見的幾種進行研究：其一，微傳感器。從二十世紀六十年代初期開始，第一個硅微壓力傳感器提出后，這種應(yīng)用得到了全世界的關(guān)注?，F(xiàn)階段，經(jīng)常應(yīng)用的微傳感器有真空微電子傳感器、面陣觸覺傳感器等；其二，微電機。隨著硅加工工藝的嫻熟，促使集成電路加工尺寸可以實現(xiàn)深壓微米，并解決了以往靜電電機的機械加工問題，提升了整體工作的精確性。微電機的出現(xiàn)，不但優(yōu)化了電機測速范圍，而且突破了視頻影像測速系統(tǒng)的限制，并展現(xiàn)出工藝兼容和測量便捷等優(yōu)勢；其三，機械濾波器和諧振器。這種應(yīng)用展現(xiàn)出了極高的Q值（衡量電感器件的主要參數(shù)），且具備良好的穩(wěn)定性和低損耗，但相應(yīng)的諧振頻率較低，且空氣阻尼影響較大。因此，要想提升工作頻率，研究人員提出了一種引用和IC工藝兼容的表面加工制造的雙諧振梁四階濾波器，工作頻率可以到達14.6兆赫。需要注意的是，在頻率提高的同時，也會引發(fā)新的問題，這就要求研究人員在整合實踐應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出有效的處理措施。

結(jié)束語：綜上所述，微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的提出，對各行領(lǐng)域發(fā)展都產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)和機遇。因此，在未來發(fā)展中，必須要加大對微電子機械系統(tǒng)技術(shù)的深層探索，注重整合以往應(yīng)用經(jīng)驗，明確未來行業(yè)發(fā)展需求，提出更為優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用技術(shù)，從而為我國社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)保障。