MEMS技术概述

机械设计与制造第4期-106-Machinery Design &_ Manufacture2006年4月，文章编号:1001 - 3997 (2006)04 -0106 -03MEMS技术概述王冬生1王春明2胡桂珍'(1哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院，威海264209) (2山东威海海马地毯厂,威海264200)Tntoduettom on MEMSWANG Dong - sheng', WANG Chun - ming', HU Gui - zhen'('Harbin instutute of Technology, Weihai 264209, China)(2Shandong Haima carpet factory, W eihai 264200, China)[摘要]这里简要介绍了MEMS技术的概念、研究的主要领域和目前的应用领域，重点介绍了MEMS加工技术及其分类,最后给出了该技术的展望。关键词:研究领域;加工技术;现状及展望(Abstractl This paper presents conception of MEMS ( Micro Electro Mechanical System) and fields ofinvestigation. It also gives the main application, field of MEMS. It emphatic discussed machining technology ofMEMS and kinds of process. Furthermore, some points of view of developing on MEMS are put forvard.Key words: MEMS; The investigation fields ; Processes; State of art and prospect中图分类号: TH11文献标识码: AMEMES成为当今世界的研究热点，各国的科技工作人员中独有，例如材料的塑性加工技术中的基础理论部分就比较薄将其作为一个独立的边缘学科站展开国际范围内的学术与工弱,却也能够得到很好的工程应用。我们知道，当构件的几何尺程研究。寸缩小到毫米或微米量级时，很多宏观的理论已经不适用于1MEMS的定义MEMS,有许多宏观物理量需要重新定义，这也可能就是“纳米微机电系统(Micro Electro Mechanical System- -MEMS)是集技术”的魅力所在。因此MEMS需要对微小型化的尺寸效应和多个微机构、微传感器、微执行器、信号处理、控制电路、通信接理论基础做进一步研究,包括微结构学、微动力学、微流体力学、口及电源于一体的微型电子机械系统。其示意图如图1,它首先微摩擦学、微热力学、微电子学、微光学和微生物学等。起源于微电子技术，并在机械领域或机电一体化领域拓宽和延(2)技术基础:基于MEMS与传统机电系统在理论基础上伸。有人将用于通信、多媒体、网络和智能等领域中的MEMS技的差异，它所涉及的技术基础研究也与传统机电系统不同。主术称为信息MEMS技术，形成了光MEMS(MOEM技术)和射要涉及到的研究领城有:微系统设计技术、微系统材料、复杂可动结构微细加工、微装配与封装、微测量、微系统的集成与控制频/微波无线电通讯系统中的MEMS(RF MEMS)[1]。和微宏接口等技术。(3)MEMS设计技术:主要研究设计方法MEMS其中计算机[光]辅助设计(CAD)是有力工具。计算机技术的进步使CAD技术在声行t[信息]MEMS器件的设计中得到了广泛应用MEMS有限元分析技术可温度以预测和模拟MEMS器件的静态和动态性能。CAD设计应包与其它微系统的通讯/接口器其期]它一-括:器件模拟、系统校验、封装、优化、掩模板设计和过程规划等MEMS还应建立混合的机械、热和电气的耦合模型。图1微机电系统基本组成示意图但是MEMS设计技术又不同于常规的机电系统设计,这是2 MEMS研究的主要对象MEMS的主要研究内容: MEMS 基础理论和技术的研究、由于当机械的尺寸缩小时，由于表面的摩擦力增加可能会导致机械本身无法工作。因此，进行MEMS建模分析时会遇到许多MEMS材料和MEMS的制造工艺研究。新的问题，在实践中要开发快谏的计算表面作用力算法、宏模2.1 MEMS基础理论和技术的研究型的建中国煤化工可以采用ANSYS等软件(1)理论基础:一般的学科常常是先有了基础理论,然后才进行糊:YHCNMHG会有工程应用，但MEMS技术却一种工程应用先于基础理论的2.2 MEMS材料学科，其工程实际应用往往超前于基础理论，因此MEMS技术MEMS材料包括用于敏感元件和致动元件的功能材料、结中涉及到的基础理论研究有待于加强。这种现象并非在MEMS构材料和智能材料, MEMS材料应具有良好机械电气性能和适*来穆手朔数辖-05 -18第4期王冬生等:MEMS技术概述- 107-合微细加工的新材料。MEMS 中使用的结构材料通常是以硅为(2)第二种是以日本为代表的利用传统机械加工手段,用大主体的半导体材料;功能材料包括压电材料、超磁致材料、光敏机器制造小机器， 再用小机器制造微机器的方法。此加工方法材料等;智能材料以形状记忆合金为主。此外还有玻璃陶瓷等可以分为两大类: 超精密机械加工及特种微细加工。超精密机材料。MEMS材料及其力学分析是MEMS设计的重要方面,其研械加工以金 属为加工对象,用硬度高于加工对象的工具,将对象究的关键问题包括材料及物理性能的研究和MEMS结构的力材料进行 切削加工,所得的三维结构尺寸可在0. 01mm以下。此学分析与失效研究等。技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨2.3 MEMS的制造工艺削与研磨加工等。MEMS制造工艺是MeMS的核心技术,也是MEMS研究领特种微细加工技术是通过加工能量的直接作用,实现小至域中最为活跃的部分，加工MEMS器件的技术目前主要有以下逐个分 子或原子的切削加工。特种加工是利用电能、热能、光三种。面向MEMS的微细加工技术是在集成电路的基础上形成 能、声能及化学能等能量形式。常用的加工方法有:电火花加的，先后有了超精密机械加工、深反应离子刻蚀、LIGA及准LIGA工 超声波加工、电子束加工、激光加工离子束加工和电解加工技术和分子装配技术等。其加工手段包括电子束、离子束、光籽等。 超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微束、原子束分子束等离子、超声波微波、化学和电化学等。米、亚微米级,可以批量制作模数仅为0.02左右的齿轮等微机目前, MEMS的研究已从基础研究领域进入开发使用阶段，械元件 ,以及其它加工方法无法制造的复杂微结构器件。MEMS的应用研究对象主要包括微构件、微传感器、微执行器、(3)第三种是以德国为代表的LIGA技术,它是利用x射线专用MEMS器件及系统等。这些研究成果的应用领域很广，涉光刻技 术,通过电铸成型和铸塑工艺,形成深层微结构的方法。及到信息通讯、汽车工业、生物医学和航空航天等。因此MEMS利用 LUIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料,得到大技术有着广泛的应用前景。深宽比的精细结构,其加工深度可达几百微米。3 MEMS加工技术LICA技术与其它立体微加工技术相比有以下特点:如前所述, MEMS加工技术主要分为三种,分别以美国为代●可制作高度达数百至1000μm,深宽比可大于200,侧壁表的硅基MEMS技术、日本以精密加工为特征的MEMS技术和平行偏离在亚微米范围内的三维立体微结构;. 对微结构的横向形状没有限制，横向尺寸可以小到德国的LIGA技术。(1)第一种是以美国为代表的硅基MEMS技术，它是利用0. Sμm,精度可达0.1μm;化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基LIGA的加工对象; .●用材广泛，金属、合金、陶瓷、玻璃和聚合物都可以作为MEMS器件。这种方法可与传统的IC工艺兼容,并适合廉价批●与微电铸、铸塑巧妙结合可实现大批量复制生产,成本低。量生产已成为 目前的硅基 MEMS技术主流。各向异性腐蚀技术就是利用单晶硅的不同晶向的腐蚀速率LIGA的主要工艺步骤如下:在经过x光掩模制版和X光.存在各向异性的特点而进行腐蚀技术，其主要特点是硅的腐蚀深度光刻后,进行微电铸,制造出微复制模具,并用它来进行微速率和硅的晶向、搀杂浓度及外加电位有关。它靠调整器件结复制工艺和二次微电铸，再利用微铸塑技术进行微器件的大批构,使它和快腐蚀的晶面或慢腐蚀的晶面方向相适应,利用腐蚀量生产。由于LIGA所要求的同步x射线源比较昂贵.所以在LICA速度依赖杂质浓度和外加电位这一特性可以实现适时停止腐的基础上产生了准LIGA技术(Like LIGA),它是用紫外光源代蚀。利用此技术可以制造出MEMS的精密三维结构。固相键合技术就是不用液态粘连剂而将两块固体材料键合替同步X射线源,虽然不能达到LIGA加工的工艺性能,但也能在- -起， 且键合过程中材料始终处于固相状态的方法。主要包满足微细加工中的许多要求。由LICA工艺发展起来的还有括阳极键合(静电物理作用)和直接键合两种。阳极键合主要用SLIGA(Sacrificial LIGA)、MLIGA(Moving Mask LIGA)、抗蚀剂回于硅-玻璃键合，可以使硅与玻璃两者的表面之间的距离达到流PRLIGA(Photo - reist Rellow LIGA)等[4]。由上海交通大学分子级。直接键合技术(依靠化学键)主要用于硅-硅键合,其和北京大学联合开发、具有独立知识产权的DEM技术,也属于最大特点是可以实现硅-体化微机械结构，不存在边界失配的LIGA技术中的一种。该技术采用感应耦合等离子体(ICP: inductively coupled plasma)深层刻蚀工艺来代替同步辐射X光深问题。表面牺牲层技术(又称为表面微机械)是在20世纪80年代层光刻,然后进行常规的微电铸和微复制工艺,该技术因不需要由美国加州大学Berkeley分校开发出来的，它以多晶硅为结构昂贵的同步辐射X光源和特制的X光掩摸板而具有广泛的应层，二氧化硅为牺牲层。表面牺牲层技术与集成电路技术最为用前景[4]。相似,其主要特点是在薄膜+淀积的基础上,利用光刻、腐蚀等4MEMS的应田IC常用工艺制备微机械结构,最终利用选择腐蚀技术释放结构中国煤化工1器、微传感器、微致动单元，获得可动结构。最成功的表面牺牲层技术目前采用多晶器，以MHCNMHG到目前为止，完整的硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料,该工艺为薄膜MEMS尚处于概念研究阶段,真正形成实用化商品的微系统仅工艺，最大的优点是容易将机械结构与处理电路批量集成制是一些微传感器、微致动器等微结构装置。这些产品广泛地应造用于信息、汽车、医学、字航和国防等领域。No. 4-108-机械设计与制造Arp. 2006信息MEMS技术能在-一个芯片和微型系统上将信息获取、这种机器人通常由传感器系统信息处理与自主导航系统、信息传输、信息处理及信息执行等功能集成起来。信息MEMS机动系统、 破坏系统和驱动电源组成。微型军用机器人大致可器件可以取代信息领城中所采取的传统器件,会促进信息产品以分为三种类型:固定式、移动式和昆虫式微型机器人。这些机的集成化微型化智能化提高器件和系统的性能,降低功耗。器人是廉价的，可以大批量部署。可以代替人进入人难以进入目前已经开发出许多用于通信系统的MEMS器件，有光开关、或危险的地区进行侦察、排雷和探测生化武器等。光调制器、光纤对准器和集成化光编码器等。5 MEMS的研究状况在汽车工业中使用最广泛的MEMS器件主要是微传感器。自1989年制造出直径只有头发丝大小的微马达以来，高精度高效率高可靠性和低成本的传感器可以使汽车的各个MEMS技术就开始受到世界各国的高度重视。1993 年美国ADI系统更加智能化，安全性能更高。这些微传感器主要包括以下公司采用MEMS技术成功地将微型加速度计商品化，并大批量几种:微压力传感器，主要用于根据需要控制发动机的工作状用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。1992 年态,以及检测轮胎压力;微加速度计,主要用于汽车的安全气囊美国国家关键技术管理机构计划把‘微米级和纳米级制造”列为系统检测和监控前面后面的碰撞;微角加速度计,主要用于车轮“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。侧滑和打滚控制,改善汽车刹车、安全性能和导航性能等。国外许多大型企业、实验室及高校都积极投入到MEMS研生物细胞尺寸的数量级在微米到纳米之间，与MEMS器件究的各个领域，井取得了许多成就。美国加州斯坦福大学与加尺寸的数量级相当，另外临床分析与基因分析所用的仪器也需州理工学院协作研究开发了脑细胞组织探针,还与LucasNova -要MEMS技术制造,所以MEMS在医学上的应用也很广泛。主Sensor公司联手开发了深度活性离子蚀刻(DRIE)技术。俄亥俄要有以下几个方面:人造器官、体内显微手术、临床化验分析、基州的Case Westem Reserve大学正在进行微机械加工生物传感因分析遗传诊断和试验仪器等器高密度阵列结构。朗讯公司的贝尔试验室在光开关、光调制世界各国都高度重视MEMS在航天与军事上的应用,器、分插复用器上也取得了突破。日本东北大学正在研制一种MEMS涉及以下几个方面。用形状记忆合金(SMA) 作为驱动器的自主式移动内用窥镜系4.1微电机统。加拿大McGill大学研制出最高分辨率为10nm的暹控纳米微电机作为MEMS的核心驱动设备，-直是MEMS研究的机器人。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数增长，说明热点和突破点,根据电机的工作原理微电机可以分为以下几类:MEMS技术的全面发展和产业快速起步的阶段已经来到。目前，(1)静电微电机,它选择静电作为微电机的换能形式,以静电力国外已研制成的MEMS器件有微阀门、微弹簧、微齿轮、微马代替体积力起主导作用: (2)电磁微电机,它是依照传统的电磁达、 微陀螺、微型惯性测量组合、硅微压力传感器和微加速度计原理制成的,具有驱动力矩大的优点可作为微型机器人和微型一等已成为商品 ,并且应用领域十分广泛。飞行器的动力源; (3)谐振式微电机,它是靠机械谐振驱动的电此外,MEMS技术已开始在我国的社会生活中发挥作用,如机,具有高运转精度和高转速的特性;(4)压电微电机,是美国利微操作机器人已开始用于生物工程中的细胞分割、显徽手术和生用其先进的IC工艺和材料技术率先制造出来的,具有低电压驱物芯片的制造工艺中; 微传感器已用于飞行器的加速度、压力等动、无电磁场干扰.不需悬浮等优良特性，是MEMS中最有前途参数的实时测量 ;纳米薄膜润滑技术已用于“长征三号”火箭和计的徽驱动器之- -。算机硬盘的制造工艺上。但是由于历史原因造成的条块分割力4.2导航领域量分散,而且产业界对MEMS的认识尚不明确, MEMS的研究还陀螺和惯性测量系统(Ineria Measure Unit , IMU)在导航中主要是国家投资,因而投资力度严重不足,尽管已有不少成果,但起到关键作用，它可以提供运动物体的姿态、位置和速度等信在质量、性能价格 比及商品化等方面与国外的差距还很大。息。采用MEMS技术制造的微惯性测量组合系统(Miero - IMU,6结束语MIMU),没有转动的部件,在寿命、可靠性、成本、体积和质量等MEMS技术从20世纪80年代末开始受到世界的广泛重视方面都要优于常规的惯性仪表。以来,到现今短短的十几年里,已经在几乎所有的自然和工程领4.3纳米卫星从太阳能电池到导航模块和通信模块都是硅材料制造的，城产生了重大影响。我国应充分利用现有基础,紧贴国际MEMS制造工艺是纳米级的，目前正在研究的一种简单的纳米卫星可技术发展的大脉搏,根据国家发展战略方针,在对社会经济发展以由外表带有太阳能电池和天线的、在硅基片上堆砌的专用集有重要影响的工业自动化、信息技术等行业，掌握与MEMS技成微型仪器而组成,在体积和质量上都小得多,而且成本也低许术相关的设计、加工、测试、封装装配和系统集成等具有自主知识产权的理论方法和关键技术。应该采取目标产品带动关键技多,应用更为广泛。术、系统研究带动器件开发，逐步建立起我国MEMS研发体系4.4微型飞行器和产业在现代战争中，作为新型的战场侦察和对敌对通信进行干参考了中国煤化工扰的装备已经成为信息战的重要组成部分。1995 年美国率先提1赵运TYHC N M H G.湖南理工学院学报(自出了微型飞行器的概念,并在这方面取得了突破性的成果,预计然科学版)第17卷鳓4期，2004.12.在5至10年内,就能研制出可供实际使用的微型飞行器。2王亚珍.朱文坚.微机电系统(MEMS)技术及发展趋势。机械设计与4.5微型军用机器人研究,第20卷第1期,2004.2..