微機電系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

微機電系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

1mems的基本原理微型技術(shù)的成功在許多領(lǐng)域引發(fā)了一種微化革命。在此基礎(chǔ)上，納米納米技術(shù)和系統(tǒng)（微型納米技術(shù)）的生產(chǎn)發(fā)生了變化。一方面人們利用物理化學(xué)方法將原子和分子組裝起來,形成具有一定功能的微米/納米結(jié)構(gòu);另一方面人們利用精細(xì)加工手段加工出微米/納米級結(jié)構(gòu)。前者導(dǎo)致了納米生物學(xué)、納米化學(xué)等邊緣學(xué)科的產(chǎn)生,后者則在小型機械制造領(lǐng)域開始了一場新的革命,導(dǎo)致了微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)的誕生。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界有機地聯(lián)系起來,它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界信號,并將這些信號轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識的電信號,而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號,進而發(fā)出指令,控制執(zhí)行部件完成所需要的操作。從廣義上講,MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整微型機電系統(tǒng)。MEMS主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路三部分,圖1給出了典型的MEMS系統(tǒng)與外部世界相互作用的示意圖。作為輸入信號的自然界各種信息首先通過傳感器轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)過信號處理以后(模擬/數(shù)字)再通過微執(zhí)行器對外部世界發(fā)生作用。傳感器可以把能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,從而將現(xiàn)實世界的信號(如熱、運動等信號)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以處理的信號(如電信號)。執(zhí)行器根據(jù)信號處理電路發(fā)出的指令完成人們所需要的操作。信號處理器則可以對信號進行轉(zhuǎn)換、放大和計算等處理。Analog公司已研制成集成微加速度傳感器和處理電路的芯片。MEMS技術(shù)的目標(biāo)是通過系統(tǒng)的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統(tǒng)。MEMS技術(shù)開辟了一個全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本,而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)無法完成的任務(wù)。例如尖端直徑為5μm的微型鑷子可以夾起一個紅細(xì)胞,3mm大小的能夠開動的小汽車,可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長速度非常之高,并且正處在加速發(fā)展時期。預(yù)計到2000年,全世界MEMS的市場將達到120～140億美元,而與之相關(guān)的市場將達到1000億美元。圖2給出了硅微機械電子系統(tǒng)市場的增長情況及其預(yù)測。2mems器件的研究MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究課題,它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域,如電子技術(shù)、機械技術(shù)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等。MEMS技術(shù)的研究課題主要有以下幾部分:(1)理論基礎(chǔ):隨著MEMS尺寸的縮小,有些宏觀的特性發(fā)生了改變,很多原來的宏觀理論都會發(fā)生變化,如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)的表面效應(yīng)、微觀摩擦機理等等,因此需要研究微動力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微光學(xué)、微結(jié)構(gòu)學(xué)等。(2)技術(shù)基礎(chǔ):為了制作各種MEMS系統(tǒng)需要開發(fā)、研究許多新的設(shè)計、工藝加工(高深寬比多層微結(jié)構(gòu))、微裝配工藝、微系統(tǒng)測量等技術(shù)。(3)應(yīng)用研究:人們不僅要開發(fā)制造MEMS的各種技術(shù),更重要的是如何將制成的MEMS器件用于實際系統(tǒng)中,并從中受益。目前可以預(yù)見的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車、航空航天、信息通訊、生物化學(xué)、醫(yī)療、自動控制、消費品及國防等。3mems器件中的功能分區(qū)微機電系統(tǒng)將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)融合在一起,實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。目前,MEMS技術(shù)幾乎可以應(yīng)用于所有的行業(yè)領(lǐng)域,而它與不同的技術(shù)結(jié)合,往往便會產(chǎn)生一種新型的MEMS器件。根據(jù)目前的研究情況,除了進行信號處理的集成電路部件以外,微機電系統(tǒng)內(nèi)部包含的單元主要有以下幾大類[5～7]:(1)微傳感器:傳感器種類很多,主要包括機械類、磁學(xué)類、熱學(xué)類、化學(xué)類、生物學(xué)類等等,每一類中又包含有很多種。例如機械類中又包括力學(xué)、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量傳感器等,化學(xué)類中又包括氣體成分、濕度、pH值和離子濃度傳感器等。(2)微執(zhí)行器:主要包括微馬達、微齒輪、微泵、微閥門、微開關(guān)、微噴射器、微揚聲器、微諧振器等。(3)微型構(gòu)件:三維微型構(gòu)件主要包括微膜、微梁、微探針、微齒輪、微彈簧、微腔、微溝道、微錐體、微軸、微連桿等。(4)微機械光學(xué)器件:即利用MEMS技術(shù)制作的光學(xué)元件及器件,目前制備出的微光學(xué)器件主要有微鏡陣列、微光掃描器、微光閥、微斬光器、微干涉儀、微光開關(guān)、微可變焦透鏡、微外腔激光器、光編碼器等。(5)真空微電子器件:它是微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)和真空電子學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物,是一種基于真空電子輸運器件的新技術(shù),采用已有的微細(xì)加工工藝在芯片上制造集成化的微型真空電子管或真空集成電路。它主要由場致發(fā)射陣列陰極、陽極、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成。由于電子輸運在真空中進行,因此具有極快的開關(guān)速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前研究較多的真空微電子器件主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。(6)電力電子器件:主要包括利用MEMS技術(shù)制作的垂直導(dǎo)電型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直導(dǎo)電型MOS(VVMOS)器件等各類高壓大電流器件。MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、功能強大、可以批量生產(chǎn)等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,因此在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、減震系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、穩(wěn)定控制和玩具;微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護;MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等。4微機械liga技術(shù)目前,常用的制作MEMS器件的技術(shù)主要有三種[8～10]。第一種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段,即利用大機器制造小機器,再利用小機器制造微機器的方法;第二種是以美國為代表的利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進行加工,形成硅基MEMS器件;第三種是以德國為代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie(光刻)、Galvanoformung(電鑄)和Abformung(塑鑄)三個詞的縮寫)技術(shù),它是利用X射線光刻技術(shù),通過電鑄成型和鑄塑形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。其中第二種方法與傳統(tǒng)IC工藝兼容,可以實現(xiàn)微機械和微電子的系統(tǒng)集成,并適合于批量生產(chǎn),已經(jīng)成為目前MEMS的主流技術(shù)。由于利用LIGA技術(shù)可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料,可以得到高深寬比的精細(xì)結(jié)構(gòu),其加工深度可以達到幾百微米,因此LIGA技術(shù)也是一種比較重要的MEMS加工技術(shù)。利用LIGA技術(shù)已經(jīng)開發(fā)和制造出了微齒輪、微馬達、微加速度計、微射流計等。第一種加工方法,則可以用于加工一些在特殊場合應(yīng)用的微機械裝置,如微型機器人、微型手術(shù)臺等。下面主要介紹LIGA和以硅為基礎(chǔ)的MEMS技術(shù)。4.1微圖形的制作LIGA技術(shù)是采用深度X射線光刻、微電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)相結(jié)合的一種綜合性加工技術(shù),它是進行非硅材料三維立體微細(xì)加工的首選工藝。LIGA技術(shù)制作各種微圖形的過程主要由兩步關(guān)鍵工藝組成,即首先利用同步輻射X射線光刻技術(shù)光刻出所要求的圖形,然后利用電鑄方法制作出與光刻膠圖形相反的金屬模具,再利用微塑鑄制備微結(jié)構(gòu)。LIGA技術(shù)補償了表面微機械技術(shù)的不足,為MEMS技術(shù)提供了一種新的加工手段。利用LIGA技術(shù)可以制造出由各種金屬、塑料和陶瓷零件組成的三維微機電系統(tǒng),并且得到的器件結(jié)構(gòu)具有深寬比大、結(jié)構(gòu)精細(xì)、側(cè)壁陡峭、表面光滑等特點,這些都是其它微加工工藝很難達到的。4.2微機械結(jié)構(gòu)的檢測方法主要分為3種以硅為基礎(chǔ)的微機械加工工藝也分為多種,傳統(tǒng)上往往將其歸納為兩大類,即體硅加工(bulkmicromachning)工藝和表面硅加工(surfacemicromachinig)工藝。由于當(dāng)前硅微機械加工工藝的飛速發(fā)展,不斷有新的工藝方法出現(xiàn),許多工藝方法可以同時用于體加工和平面加工,有些方法則兼具體加工和表面加工兩者的特點,很難給予確切分類,因此我們不采用這種分類方法。在以硅為基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)中,最關(guān)鍵的加工工藝主要包括高深寬比的各向異性腐蝕技術(shù)、鍵合技術(shù)和表面犧牲層技術(shù)等。各向異性腐蝕技術(shù):各向異性腐蝕技術(shù)是體微機械加工的關(guān)鍵技術(shù)。濕法化學(xué)腐蝕是最早用于微機械結(jié)構(gòu)制造的加工方法。常用的進行硅各向異性腐蝕的腐蝕液主要有EPW和KOH等。濕法化學(xué)腐蝕得到的微機械結(jié)構(gòu)的厚度可以達到整個硅片的厚度,具有較高的機械是靈敏度,但該方法與集成電路工藝不兼容,難以與集成電路進行集成,且存在難以準(zhǔn)確控制橫向尺寸精度及器件尺寸較大等缺點。為了克服濕法化學(xué)腐蝕的缺點,采用干法等離子體刻蝕技術(shù)已經(jīng)成為微機械加工技術(shù)的主流。隨著集成電路工藝的發(fā)展,干法刻蝕高深寬比的硅槽已不再是難題。例如采用ICP(感應(yīng)耦合等離子體)、高密度等離子體刻蝕設(shè)備等都可以得到比較理想的高深寬比的硅槽。鍵合技術(shù):鍵合是指不利用任何粘合劑,只是通過化學(xué)鍵和物理作用將硅片與硅片、硅片與玻璃或其他材料緊密地結(jié)合起來的方法。鍵合雖然不是微機械結(jié)構(gòu)加工的直接手段,卻在微機械加工中有著重要的地位。它往往與其它手段結(jié)合使用,既可以對微結(jié)構(gòu)進行支撐和保護,又可以實現(xiàn)機械結(jié)構(gòu)之間或機械結(jié)構(gòu)與集成電路之間的電學(xué)連接。在MEMS工藝中,最常用的是硅/硅直接鍵合和硅/玻璃靜電鍵合技術(shù),最近又發(fā)展了多種新的鍵合技術(shù),如硅化物鍵合、有機物鍵合等。表面犧牲層技術(shù):犧牲層工藝是表面微機械技術(shù)的主要工藝,其基本思路為:首先在襯底上淀積犧牲層材料,并利用光刻,刻蝕形成一定的圖形,然后淀積作為機械結(jié)構(gòu)的材料并光刻出所需要的圖形,最后再將支撐結(jié)構(gòu)層的犧牲層材料腐蝕掉。這樣就形成了懸浮的可動的微機械結(jié)構(gòu)部件。常用的結(jié)構(gòu)材料有多晶硅、單晶硅、氮化硅、氧化硅和金屬等,常用的犧牲層材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻膠等。5mems器件未來發(fā)展的展望作為本文的小結(jié),將大多數(shù)專家預(yù)測的MEMS技術(shù)在今后的主要發(fā)展趨勢綜合如下:(1)研究方向多樣化:從歷次大型MEMS國際會議(Transducer和MEMSWorkshop)的論文來看,MEMS技術(shù)的研究日益多樣化。MEMS技術(shù)涉及的領(lǐng)域主要包括慣性器件如加速度計與陀螺、AFM(原子力顯微鏡)、數(shù)據(jù)存儲、三維微型結(jié)構(gòu)的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學(xué)器件、各種執(zhí)行器、微型機電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫(yī)用器件、實驗表征器件、壓力傳感器、麥克風(fēng)以及聲學(xué)器件等16個發(fā)展方向。內(nèi)容涉及軍事、民用等各個應(yīng)用領(lǐng)域。(2)加工工藝多樣化:加工工藝多種多樣,如:傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合工藝相結(jié)合、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝、MAMOS(金屬空氣MOSFET)工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等。而具體的加工手段更是多種多樣。(3)系統(tǒng)單片集成化:由于一般傳感器的輸出信號(電流或電壓)很弱,若將它連接到外部電路,則寄生電容、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號。因此采用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質(zhì)量很高的傳感器。只有把兩者集成在一個芯片上,才能具有最好的性能,美國ADI公司生產(chǎn)的集成式加速度計就是將敏感器件與集成電路集成在同一芯片上的。圖3給出了美國DARPA預(yù)測的不同用途的MEMS器件中集成的晶體管和機械部件的數(shù)目。(4)MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮:MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于,MEMS器件芯片一般都有活動部件,