第36节-微机械及其微细加工技术

一、引言随着微／纳米科学与技术(Micro/NanoScienceandTechnology)的发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。3.6微机械及其微细加工技术3.6微机械及其微细加工技术微机械是80年代末出现的一门崭新的学科，被誉为21世纪最具代表性的技术之一。微机电系统与微电子学、信息学、材料科学和纳米技术的发展等密切相关。被公认为21世纪的重点发展学科，是国家重点发展的高技术产业。微机电系统是微电子技术的延伸和拓宽，通过传感器、致动器、信号处理、控制等多项功能，与外部世界有机联系起来。微机电系统的概念始于20世纪80年代，一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内的装置。在不同国家和地区有不同的术语和解释：•美国称作MicroElectro-MechanicalSystem-MEMS（微型电-机系统）微型电-机系统是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间。3.6微机械及其微细加工技术•在欧洲则称作MicroSystem（微系统）是指具有微米级结构，可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、甚至外围接口、通信电路和电源等于一体的微型器件或系统。•在日本称作MicroMachine（微机器）微机器由只有几毫米大小的功能元件组成，它能够执行复杂、细微的任务。3.6微机械及其微细加工技术3.6微机械及其微细加工技术•微机电系统是指特征尺寸在微米至毫米范围内，由电子和机械组成的集成化器件或系统。按外形尺寸，微机械可划分为110mm的微小型机械,1m1mm的微机械，以及1nm1m的纳米机械。图13.6微机械及其微细加工技术微机电系统器件不能用总尺寸来定义，而用特征尺寸来表征。特征尺寸：决定器件性质和加工工艺的关键尺寸。如扩散硅压力传感器的膜厚。由于微机电系统的基于微电子技术的背景（从微机械的加工方法来看，它主要起源于硅集成制造技术），使其具有集成电子器件所具有的微小、可靠、灵敏、低耗、高效、成本低、适于大批量生产等系列优点。3.6微机械及其微细加工技术微机械具有以下几个基本特点：1.体积小(特征尺寸范围为lnm～10mm)，精度高，重量轻，惯性小。2.性能稳定，可靠性高。微机械器件体积极小，封装后几乎可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的影响，具有较高的抗干扰性，可以在比较恶劣的环境下稳定工作。3.6微机械及其微细加工技术3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时间短）。完成相同的工作，微机械所消耗的能量仅为传统机械的十几或几十分之一，却能以数十倍以上的速度运作。微机电系统不存在信号延迟等问题，从而更适合高速工作。4.多功能和智能化。集约高技术成果，附加价值高。5.适于大批量生产，制造成本低廉。3.6微机械及其微细加工技术具有以下一般机械所不能及的优势：1.表现在活动空间、操作对象和工作环境上。微机械能够进入极狭小空间进行作业，且不易对环境造成不必要的影响与破坏。微机械还可以面对很脆弱、易损伤的工作对象。微机械还可出现于人类所不能及或不适宜的工作环境。3.6微机械及其微细加工技术2.与一般机械相比，微机械所表现出的智能化程度更高、实现的功能更趋于多样化。国外一些有实力的半导体公司和研究机构对微机械的研究非常重视，已研制开发出许多有特色的产品。3.6微机械及其微细加工技术目前，微机械的研究正在从基础研究逐步迈向研制开发与实用阶段。许多微传感器、微执行器以及微光学部件已经在某些行业得到应用。3.6微机械及其微细加工技术3.6微机械及其微细加工技术目前微机械研究分为理论研究、技术基础研究及应用研究三部分。1、理论基础当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象与宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域，与尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力(L8)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的黏性力、弹性力(L2)、表面张力(L1)、静电力(L0)等的作用相对增大，同时表面积(L2)与体积(L3)之比增大，热传导、化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增大。3.6微机械及其微细加工技术因此，许多宏观物理量进入微观尺度后甚至需要重新定义。相关学科，如微电子学、微机械学、微光学、微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构学和微生物学等共同构成了微机械研究的理论基础。3.6微机械及其微细加工技术2、技术基础微机械涉及的基础技术主要有：微机械设计，微机械材料，微细加工，集成技术，微装配和封装，微测量，微能源，微系统控制等。3.6微机械及其微细加工技术微机械设计技术包括：微结构设计、弹塑性有限元分析、CAD/CAM技术、数据库技术、微系统建模与仿真等。微细加工技术：微机械的技术关键，目前常用的方法包括起源于半导体IC加工工艺的硅微细加工、微细电火花加工等特种精密加工、LIGA技术、微组装技术等。3.6微机械及其微细加工技术微系统测量技术：设计材料的机械性能、微构件或微系统参数与性能测试等，微型薄膜构件的弹性模量、泊松比、拉伸强度、残余应力、韧性等。在测量基础上建立相关的数据库和数学、力学模型，从而进一步服务于以后的设计、制造、改进以及测量过程。3.6微机械及其微细加工技术微系统的集成与控制：涉及系统设计、微传感器或微执行器与控制处理电路的集成、能源供给、接口通讯等。3.6微机械及其微细加工技术3、应用研究微机械在精密仪器、生物医学，特别是空间狭小、操作精度高、功能高度集成的航空航天设备领域，有着巨大的应用潜力。二微型机械发展现状及展望1.微型仪器微型仪器实际上就是具有仪器功能的MEMS产品，是MEMS技术与微电子技术综合集成的产物。它具有一般仪器具有的监测、测量、分析、诊断、控制和执行功能，是一种新型的智能结构。其基本结构模式为：微传感器+信号和数据处理电路（含控制软件）+外显示器或微执行器3.6微机械及其微细加工技术(1)微光谱仪(2)MEMS显示器美国TexasInstruments研究用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯片（DigitalMicromirrordevice-DMD）。已成功利用768×576像素的DMD芯片制出彩色电视投影仪。DMD芯片利用硅表面微加工工艺制作，一个微镜的尺寸仅16um×16um。(3)微型化学传感器及微型粘度仪利用微机械薄膜（厚度仅3um）对化学分子的吸收，改变薄膜的体积，导致性能发生改变。3.6微机械及其微细加工技术2.MEMS在医疗和生物技术领域的应用生物细胞的典型尺寸为1～10um，生物大分子的厚度为纳米量级，长度为微米量级。微型器件尺寸也在这范围之内，因而适合操作生物细胞和生物大分子。另外，临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、微沟槽、微器皿和微流量计等。3.6微机械及其微细加工技术3.6微机械及其微细加工技术•增高体温法治疗癌症：利用超声波或无线电波的能量把身体某一部位加热到430C以杀死癌细胞。在治疗时温度不够效果就不好，温度过高又会伤害周围的组织，医生很难判断肿瘤部位是否达到这个温度。美国斯坦福大学研究所研制的微型温度传感器可注射到肿瘤中去。3.6微机械及其微细加工技术•血管成形手术：在动脉中推动一个小气球来清除动脉壁上的硬化瘢块。通过注射或吞服法将微机械加工法制成的微型压力传感器放到气球里面，医生通过它可以知道瘢块清除工作进行得怎样。•通过微机械加工技术已经能够制造出可以夹起一个红细胞的微型镊子。3.MEMS在汽车工业的应用汽车内安装的微型传感器已达几十个，用来传感气囊、压力、温度、湿度等的情况，以及进行智能控制。其中用于制导、卫星控制的微惯性传感器及微型惯性测量组合在汽车中可用于自动驾驶、防撞气囊、防报死系统（ABS）等。微型压力传感器：检测发动机进气管压力，微机据此控制发动机的工作状态，如最省油或排污最少的状态。微加速度计：用于汽车安全气袋系统中，检测和监控前面和侧面的碰撞。微角速度计：用于车轮侧滑和打滚控制。微型继电器等。3.6微机械及其微细加工技术3.6微机械及其微细加工技术4.MEMS军事应用展望军事领域是微机电系统技术的最早应用领域。3.6微机械及其微细加工技术汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺武器装备制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器信息和通讯光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具3.6微机械及其微细加工技术微机电技术已经受到工业发达国家的高度重视。从微机电发展的总体水平看，许多关键技术已经突破，正处于从实验室研究走向实用化、产业化阶段。•美国国家自然科学基金、先进研究计划、国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统技术的研究。3.6微机械及其微细加工技术•欧共体为了加强各国之间的组织和合作，成立了NEXUS（多功能微系统研究合作机构）组织。德国20世纪80年代中期发展的LIGA工艺，研究人员在实验室里制造出了微传感器、微电机、微执行器、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等微机械零件。•日本制定了纳米制造计划、埃技术计划、微型机器人计划。目前日本共有以企业为中心的60多个微机电系统研究组。成立了微机械中心和微机械学会。3.6微机械及其微细技术加工•我国的微系统研究起步并不晚，目前从事微机电系统研究的单位有60多个，主要集中在高校、中科院及信息产业部的研究所。已积累了一些基础技术，取得了一些传感器和微执行器的研究经验和科研成果，多数为实验室产品，商品化工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。3.6微机械及其微细技术加工二、微机电系统材料•硅材料微机械加工源自于微电子集成制造，所以在微机电系统材料中，硅是最常用的材料。硅具有良好的机电合一特性。3.6微机械及其微细技术加工特点：1、既有足够的机械强度，又有良好的电性能，便于实现机电器件的集成化。2、硅的加工精度比较高，容易生成绝缘薄膜。3、硅具有压阻效应、霍尔效应。4、硅材料密度小，为不锈钢的1/3，而弯曲强度却为不锈钢的3.5倍。3.6微机械及其微细技术加工压阻效应：电阻阻值变化与应变成正比。霍尔效应：霍尔效应是磁电效应的一种，将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势V，如图所示，这现象称为霍尔效应。V称为霍尔电压。B3.6微机械及其微细技术加工•压电材料一些离子型晶体的电介质存在压电效应(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)。可利用压电效应实现驱动或开发微型传感器。3.6微机械及其微细技术加工正压电效应：在压电材料的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷的迁移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的电荷，且其电荷密度与外应力成正比。3.6微机械及其微细技术加工逆压电效应（或称电致伸缩）：若对压电材料施加电场作用时，会引起材料内部正负电荷中心的相对位移，导致材料变形，应变与外电场强度成正比，应变的方向与电场方向有关。3.6微机械及其微细技术加工除石英晶体外，还有压电陶瓷、压电高分子材料和压电半导体等。由于压电陶瓷具有微小位移且精度高的突出优势，适应微机械、微机器人微小位移控制的要求3.6微机械及其微细技术加工•形状记忆合金利用形状记忆合金的记忆特性可以制成对环境温度敏感的热响应执行器，也可利用形状记忆合金的导电特性进行电加热，构成电驱动执行器。•超磁致伸缩材料材料在磁场作用下，其长度或形状发生伸长或缩短的现象，具有较大磁致伸缩应变的材料称为超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料可承受比压电陶瓷高一个数量级的应变，制成的超高精密致动器具有高的精度和大的输出力。三、微细加工技术微细加工（Microfabrication）起源于半导体制造工艺，原来指加工尺度约在微米级范围的加工方式。在微机械研究领域中，它是微米级，亚微米级乃至毫微米级微细加工的通称。3.6微机械及其微细加工技术可以进一步分为微米级微细加工(Micro-fabrication)，亚微