微机电系统的研究及其应用

HarbinInstituteofTechnology机电工程新技术大作业（1）题目：微机电系统的研究及其应用院系：机电工程学院姓名：孙晓磊学号：1130810517哈尔滨工业大学2016年11月25日1微机电系统的研究及其应用摘要：微机电系统是源于微电子加工技术，融合了微机械制造、传感及微控制于一体的系统。其特征尺寸极小，学科交叉广泛。学科分类涵盖了机械、力学、光学、流体、电磁学、生物学等各领域，在民品和军品领域有许多热点应用。本文概述了微机电系统(MEMS)的发展历史及基本技术原理，介绍了MEMS技术在航空航天、医药卫生、光学器件、微能源等方面的应用情况，并对其以后的发展作出展望。关键词：微机电系统；MEMS；微纳技术1微机电系统发展概况微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems，简称MEMS)是通过微制造技术将机械单元、传感器、执行器件和电子元件整合到一片微基板上的系统装置。这种新兴的机电系统为传统机械科学的发展指明了一个重要的前进方向。微机电系统的概念起源于1959年美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard.P.Feynman提出的微型机械的设想，其后1962年出现了第一个硅微压力传感器。1988年，世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校，该电机直径仅为(60～120)μm，为世人瞩目，由此产生了世界微机电系统技术研究的一个阶段性标准。1989年，NSF(NationalScienceFoundation)在研讨会的总结报告中提出了“微电子技术应用于电子、机械系统”。自此，MEMS成为一个新的学术用语。美国的研究是在半导体集成电路工艺技术基础上扩展而来的，称之为MEMS。与此同时，我国的研究人员在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，追踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划中。已有近40个研究小组，取得了一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10μm×10μm,位移分辨率为0.01μm，精度为0.1μm。长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海交通大学研制出直径2mm的电磁电机。南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。2微机电系统关键技术MEMS工艺技术研究中有3大主流技术，即以美国为代表的硅微机械加工技术、日本以精密加工为特征的微加工技术和德国的LIGA技术。此外，电子溅射加工(EDM)，衬底结合和光刻技术在MEMS制造中也有广泛应用。针对不同的应用背景，有时多种工艺同时应用于MEMS制造中。2.1硅微机械加工技术硅基微机械加工技术源于集成电路加工技术，将传统的集成电路加工技术由二维平面加工发展成为三维立体加工技术，其最关键的加工工艺主要包括体微加工技术、表面牺牲层技术和键合技术等。硅基微机械加工技术利用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MEMS器件，已成为目前MEMS的主流技术。体微机械加工是重要的MEMS加工技术之一。在体微机械加工过程中，腐蚀衬底内部的部分材料形成独立的机械结构，或者一些独特的三维结构。根据腐蚀剂的不同，体硅腐蚀技术分为湿法腐蚀和干法刻蚀，即采用液态化学腐蚀剂的湿法腐蚀工艺，采用气态和等离子态2的干法腐蚀工艺。体微加工工艺的优势在于可获得较大几何尺寸的MEMS结构，机械性能好，但与集成电路工艺不易兼容。表面牺牲层技术(又称为表面微机械)是通过外延生长热氧化、化学淀积、物理淀积、光刻、溅射和腐蚀等工艺在基体表面构建MEMS结构。最成功的表面牺牲层技术目前采用多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料，该工艺为薄膜工艺，与集成电路工艺兼容，易将机械结构与处理电路批量集成制造。键合技术是将MEMS器件中两种或多种晶格失配的材料集成为一体，制造新型器件和微型元件的一种技术，主要包括直接键合、阳极键合、共熔键合等。键合技术虽不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要地位。它常与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与集成电路间的电学连接。该工艺最大特点在于可实现硅一体化微机械结构，不存在边界失配的问题。2.2精密微机械加工技术以日本为代表的微加工技术利用传统机械加工手段，用大机器制造小机器，再用小机器制造微机器。此加工方法可分为超精密机械加工及特种微细加工两大类。超精密机械加工以金属为加工工件，用硬度高于加工工件的工具，对工件材料切削加工，所得的三维结构尺寸可在0.01mm以下。此技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨削与研磨加工等。特种微细加工技术是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切削加工。常用的特种超精密微机械加工技术包括能束微机械加工、电化学加工、微细电火花加工、超声波微加工、光成型加工、扫描隧道显微镜加工及各种复合加工技术。超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级，可批量制作其他加工方法无法制造的复杂三维微结构器件，但其加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控制性有待提高。2.3LIGA技术LIGA技术是由德国Karlsruhe核研究中心于1986年成功开发的，是利用X-射线光刻、电铸成型和塑料铸模等方法进行操作的非硅基微机械加工技术，被认为是MEMS制备技术中极有发展前途的一种。它最初是用来批量生产微型机械部件，目前主要用来加工大深宽比的精细三维结构，如已利用该技术制备的光耦合器、微加速度计、微射流计等。LIGA技术的优越性在于可加工出较大纵横比的微构件，其加工温度低，可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，这使得它在微传感器、微执行器等微结构加工中显示出突出的优点。然而昂贵的X射线源——同步回旋加速器和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。为此，人们开展了一系列准LIGA技术的研究，即在取代昂贵的X光源和特制掩膜板的基础上开发新型三维微加工技术，其中有基于厚胶紫外光刻的UV-LIGA技术，基于硅深槽刻蚀的DEM技术和基于激光刻蚀的Laser-LIGA等。目前准LIGA技术得到长足的发展，利用该工艺可制成镍、铜、金和银等金属结构。准LIGA技术工艺操作简单，成本费用相对降低，但却以牺牲高准确度、大深宽比为代价;UV-LIGA厚胶光刻可达到毫米量级，但深宽比不超过20;DEM技术刻蚀深宽比较大，但一般深度不超过300μm;Laster-LIGA技术加工精度在一定程度上受聚焦光斑影响。因此准LIGA技术还有待更进一步的研究和改进。33微机电系统应用微电子机械系统的特征是超小型化，尺寸可以做到微米和亚微米。其最大特点是制作工艺与集成电路相同，能批量生产。主要材料是单晶硅、多晶硅和氮化硅等。微机电系统研制已取得很多成果。多种尺寸为毫米到微米量级的微机械零部件，如微梁、微探针、微齿轮、凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微阀门和微连杆等都已研制出来。温度、磁场、光强等传感器和流量计、加速度计等很多已实用化。目前，这些已经成熟的微机电产品已经在各领域得到了实际应用。3.1航空航天在飞机和载人航天器上应用的各种传感器数量很大，若采用微型集成传感器，体积、质量、耗电功率将减少很多。对航天器来说，仪表系统的体积质量大大减少后，运载效益将非常可观。MEMS技术首先将促进航天器内传感器的微型化，使之节能、降低成本和大幅度提高系统可靠性。如在运载火箭和导弹上采用微型温度传感器、压力计等。由于这些传感器体积和能耗很小，可大量分布，使系统进行更精确的控制，在欧洲阿里安娜火箭上已采用。而微机电惯性仪表将推动惯性导航技术一场新的革命。微机电惯性仪表体积为立方毫米级，质量为数克，能耗一般小于2W，过载大，一般为103g以上，启动时间约1s，成本低，工作寿命长达105h，易于实现数字化和智能化，可进行微惯性系统集成。3.2医药卫生应用于生物医学领域的微机电系统通常称为生物微机电系统(Bio-MEMS)。传统上把在数平方厘米大小的硅片等材料上加工出的应用于生化分析的生物微机电系统称为生物芯片(Bio-Chip)。以生物芯片为核心的微全分析系统(MicroTotalAnalysisSystems，LTAS)是微机电系统当前的研究热点之一。Bio-MEMS由于具有功能独特、体积小、重量轻、批量生产成本低等优点，在生物医学领域应用很广。如皮下注射微型硅针、一次性血压计、可植入微量供药系统、细胞微夹钳等。应用Bio-MEMS技术不仅可以对现有的生物医疗器械进行改进和完善，而且可以创造出新的分析操作手段，极大地推动医疗事业和生物工程技术的发展。瑞典Linkoping大学的EdwinW.H.Jager等发明了可用于操纵单个细胞的微型机器人。这种微型机器人能够在(250×100)μm2的范围内抓取、举起、移动、放置微米尺寸的物体，并且能在盐溶液、血浆、尿液以及细胞培养介质中工作，将被用作微小介入手术的工具，或者从生物样品中捕捉单个细胞、细菌、多细胞生物体等。美国Cornell大学的Ricky.K.Soong等把单个的生物分子电机和纳米尺度的无机系统集成起来，构成了用分子电机驱动的混合纳米机械器件。3.3光学器件微机电系统技术利用制作硅芯片的微细加工工艺，如晶体各向异性湿腐蚀、表面微硅工艺以及各向异性干腐蚀、微铰链的弯曲结构、仿形结构等制作立体微结构的方法，可以实现超小型精密立体微结构和把许多微结构组合成系统。因此，微机电系统技术在制作光学器件中大有用武之地。3.4微能源4对于微机电或包含微机电的器件，常规能源用一般的方法很难高效地完成供能任务。比如一种进入人体内部的胶囊型微机电器件，本身就只有普通内服胶囊大小，如果使用现有的常规能源，根本无法想像。因此，微能源也成为了微机电技术应用的一个非常重要的领域。目前正在研制的微能源种类很丰富，主要有微型内燃机系统，微燃料电池，微蓄电池等。微型内燃机系统是主要使用碳氢燃料的微能源提供者。因为其燃料有很高的能量密度，所以内燃机与化学电池相比有更大的功率输出。微涡轮式燃料发动机系统的结构与大型涡轮燃料发动机相似，包括:微型燃烧室，微型压缩机叶轮，微型涡轮。工作的原理是:液态的碳氢化合物燃料在微燃烧室中被点燃、燃烧，燃气推动微涡轮机的叶轮对外做功，带动微发电机输出电能或提供推进动力;微涡轮机的叶轮同时驱动压缩机，压缩机吸入空气或助燃剂，保证燃料持续燃烧。燃料电池有较高的热机效率，没有污染，可以安静和连续地工作，是一种非常有前景的微能源。一般微型燃料电池的基本结构就是集成了微型燃料罐、微型燃料转化器、微型燃料电池和各种温度、流量微传感器、微阀门的体系。目前，美国正在研制微型氢空气燃料电池。这种电池以氢为燃料，因而不需要燃料转化器。这种燃料电池的研制目标是把微型的储氢系统和发电单元也集成上去，并能够产生(10～15)mW的输出功率。微蓄电池的开发也在微能源的研究中占有重要地位，目前实际使用中以锂电池居多。锂电池有较高的比能量((100～200)Ah/kg)和优良的循环使用性能。微型锂蓄电池一般都制成薄膜电池的形状。对于全固态的锂蓄电池，可以利用各种沉积技术，制成各种二维形状的电池，就能够方便地与微机电器件集成在一起。或者利用集成电路的制造工艺，大批量单独制造或是与集成电路同时制造微型锂蓄电池。这方面的研究还在进行之中。4微机电系统技术的发展前景总之，微机电系统研究在国际上已开展得如火如荼，MEMS的概念、加工工艺，跨学科交叉以及应用系统等都是全新的研究领域，特别是在军事上应用的MEMS技术，更成为美国等发达国家掌握的高精尖技术。目前，微机电系统在应用系统设计、器件建模与仿真、MEMS加工、MEMS封装测试等方面还没有产生成熟的、系统性的方法，无论是其基础理论研究，还是应用系统研究，都有着广阔的空间，正吸引着众多研究者的注意