MEMS技术的发展与应用

测控新技术课程报告1ＭＥＭＳ技术的发展与应用摘要微机电系统(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS),是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域。早在二十世纪六十年代，在硅集成电路制造技术发明不久，研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性，制造微型机械部件，如微传感器、微执行器等。如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上，就是微机电系统——MEMS:MicroelectromechanicalSystem。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路,直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。由于MEMS是微电子同微机械的结合，如果把微电子电路比作人的大脑，微机械比作人的五官（传感器）和手脚（执行器），两者的紧密结合，就是一个功能齐全而强大的微系统。关键词：精密机械技术，微执行器，微传感器，微型致动器前言2前言微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystem），简称MEMS，是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科，是一门多学科的综合技术。MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统，现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。1．MEMS的发展过程微机电的概念最早可追溯到1959年R.Feym.在加州理工大学的演讲。1982年,K.E.Peterson发表了一篇题为“SiliconasaMechanicalMaterial”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。微机电研究的真正兴起则始於1987年，其标志是直径为10um的硅微马达在加州大学伯克利分校的研制成功。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域2．MEMS的基本原理MEMS由传感器、信息处理单元。执行器和通讯/接口单元等组成。其输入是物理信号，通过传感器转换为电信号，经过信号处理（模拟的和/或数字的）后，由执行器与外界作用。每一个微系统可以采用数字或模拟信号（电、光、磁等物理量）与其它微系统进行通信3．MEMS的特点.微型化、以硅为主要材料、大量生产、集成化、多学科交叉、应用上的高度广泛。4．MEMS的制造技术MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大，而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、前言3晶片键合技术和微机械组装技术等。5．MEMS器件及应用MEMS在国防、医疗、仪器检测、材料等领域，尤其是活动空间狭小、操作精度要求高、功能需要高度集成的航空航天等领域，具有广阔的应用前景，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。6．微传感器研究的现状与发展方向MEMS可以广泛地应用于：微机械压力传感器、微加速度传感器、微机械陀螺、微流量传感器、微气体传感器、微机械温度传感器、其他微机械传感器。测控新技术课程报告4第一章MEMS的发展过程1959年就有科学家提出微型机械的设想，但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品—硅微型压力传感器。其后尺寸为50～500微米的齿轮、齿轮泵、气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世。而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机，显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力，在国际上引起轰动，科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前。同时，也标志着微电子机械系统(MEMS)的诞生。1.1MEMS的发展史自1947年Schockley、Bardeen和Brattain发明晶体管以来，微电子技术有了突飞猛进的发展。1953年，CharlesS.Smith研究了半导体的压阻效应。Kulite公司于1970年和1976年，分别引入了各向同性和各向异性腐蚀技术。国家半导体公司于1974年将大批量生产的压力传感器推向市场。1982年，“微机械”这一名词应运而生。这时，体硅微机械加工技术已成为制作微机械器件的有效手段[1]。1985年，牺牲层技术被引入微机械加工，“表面”微机械加工概念由此产生[2]。1987年，U.C.Berkeley利用微机械加工技术制作出了世界上第一个微静电马达，掀开了微机械发展的新一页。1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并渐渐成为一个世界性的学术用语。1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。1.2各国对MEMS的研究MEMS自20世纪80年代中期发展至今一直受到世界各个国家的广泛重视，许多有影响的大专院校和研究机构纷纷投巨资建立实验室，投入到MEMS的研究开发中。美国：在美国政府巨额经费的资助下，包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、IBM、AT&T等三十余个大学、国家实验室和民间实验机构都投入到这个项目的研究中，取得了令人瞩目的研究成果。至今美国的科学家不仅已经制作出各种整体尺寸几百微米量级的微机械部件，能够将它们应用到各类传感器的制作中，而且有相当种类的MEMS器件实现了产业化。日本：1991年，日本成立了国家MEMS开发中心，并在10年内投入了250亿日元开展“微型机械技术”研究开发。由于高强度的资金支持，日本在一些MEMS研究方面也达到了世界领先地位。此外，日本发展了微细电火花EDM、超声波加工、激光纳测控新技术课程报告5米加工等的精密加工技术。德国：德国的卡尔斯鲁研究中心在1987年提出了LIGA工艺而闻名于世，该技术采用X射线曝光和精密电镀相结合，将半导体工艺技术的准三维加工推向真正的三维加工，加工深度可达几百微米，并且具有更高的尺寸精度，现在这种工艺已被许多国家的研究人员所采用。其他各国：此外，如荷兰、英国、俄罗斯、新加坡、加拿大、以色列、韩国、台湾等国家和地区也取得了相当不错的研究成果。1.3我国对MEMS的研究我国在MEMS方面的研究始于1989年，在国家“八五”、“九五”计划期间，得到了国家自然科学基金委、国家科技部、教育司、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为1.5亿人民币。“十五”期间，MEMS被正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企业的投入，总经费可达3亿元人民币以上。发达国家的MEMS发展过程表明，实现MEMS的实用化和产业化才能够给中国MEMS发展带来希望，从我国集成电路（IC）的发展历程可以更好地理解MEMS产业化的重要意义。世界对MEMS的研究速度是比较快的，然而，中国的MEMS研究多集中在高校和非产业化的研究所，研制的器件和系统大多数没有达到产前样机的水平，中国MEMS发展中的实用化和产业化还存在很严重的缺陷。测控新技术课程报告6第二章MEMS的基本原理当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象和宏观世界有很大差别。力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能起重要作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快，表面间摩擦阻力显著增大。因此，在微观尺度下的力学、热力学、微流体力学、微摩擦学、微机械学和微光学等的基础理论研究显得尤为重要。测控新技术课程报告7第三章MEMS的特点3.1微型化MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。3.2以硅为主要材料机械电器性能优良。硅的强度、硬度及杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近相和钨。3.3大量生产用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。3.4集成化可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器，微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。3.5多学科交叉MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，是一种多学科交叉技术。3.6应用上的高度广泛MEMS的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。测控新技术课程报告8第四章MEMS的制造技术MEMS的制作主要基于两大技术：IC技术和微机械加工技术，其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统，与传统的IC技术差别不大，而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。体微机械加工是选择性的去除衬底，形成微机械元件的一种工艺，也是最古老的微机械加工技术。按所用腐蚀剂的不同分为干法腐蚀和湿法腐蚀，也可以根据腐蚀气－液对各晶面腐蚀速率的不同分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀[4]。表面微机械加工是把沉积于硅晶体的表面膜制作加工成MEMS的“机械”部分，然后使其局部与硅体部分分离，呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。表面微机械加工的重要优点就是与常规IC工艺的兼容性。另一个优点是器件占用的硅片面积比传统各向异性体硅腐蚀加工的器件的尺寸小很多。与体硅加工方法相比，表面微加工技术形成的结构鲁棒性较差，但其使用的材料多种多样，不局限于单晶硅，而且加工手段和自由度也较前者为佳。LIGA技术是德文光刻－电镀－模铸的缩写，它主要利用X射线深层曝光、电铸、成型等技术进行微机械加工[5]。LIGA技术可以制造高的深宽比的结构，宽度可小到1微米，深度可达数百微米，甚至毫米级，非常适合于制作复杂的微机械结构，但是LIGA技术所需的工艺设备比较昂贵，而且与IC工艺不完全兼容，不能有效利用IC工业现有的设备和加工能力，因此产品成本高，短时期内难以形成产业化。晶片键合技术是不用液态的粘接剂，而将两块固态材料键合在一起的方法。硅—玻璃键合和硅—硅键合是目前两种主要的键合形式。微机械组装技术也被称为二次集成技术，它是将零部件、单元和连接件等通过搬运、融合、固化、胶合、密封等工艺组合成的复杂的微电子机械系统[7]。测控新技术课程报告9第五章MEMS器件及应用由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监测、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。5.1微传感器MEMS技术经过数十年的发展，已取得了很大的进展。在微传感器