微机电(MEMS)系统技术及其应用

微机电（MEMS）系统技术及其应用摘要：微机电系统尺寸在几厘米以下乃至更小，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术，目前在系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。本文主要就微机电系统技术的特点、研究内容、技术类别、研究领域、用途以及今后的发展趋势等问题进行简要的讨论和分析。关键词：微机电系统微型机器人微机械加工Thetechnologyandapplicationofmicro-electromechanicalsystem—MEMSAbstract：EMSwhichisinafewcmbelowevensmaller,isanindependentintelligentsystem,mainlycomprisingasensor,actuatorandmicroenergyofthreeparts.MEMSrelatestophysics,chemical,optical,medical,electronicengineering,materialsengineering,mechanicalengineering,informationengineeringandbiologicalengineeringandotherdisciplinesandengineeringtechnology.Thebiologicaltechnologyinthesystemofsyntheticbiologyandmicrofluidictechnologyandotherfieldstodevelopthebroadpurposes.ThispapermainlyonMEMStechnologycharacteristics,researchcontents,technicalcategory,research,applicationsandfuturedevelopmenttrendsandotherissuesarebrieflydiscussedandanalyzed.Keywords：MEMSMiniaturerobotMicromechanicalprocessing0前言*微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微小型化革命,以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术(Micro/NanoTech-nology)在此背景下应运而生。一方面人们利用物理化学方法将原子和分子组装起来,形成具有一定功能的微米/纳米结构;另一方面人们利用精细加工手段加工出微米/纳米级结构。前者导致了纳米生物学、纳米化学等边缘学科的产生,后者则在小型机械制造领域开始了一场新的革命,导致了微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)的诞生。[1]1MEMS的定义和发展历史MEMS是微电子机械系统的英文简写，广义上指由微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信电路、电源等构成的微系统，狭义上通常指采用单片集成或混合集成的方式将微型机械部件与微电子信号处理电路组装在一起并实现一定的功能，其特征尺寸在亚微米至亚毫米范围MEMS技术是在微电子技术基础上发展起来的具有多学科交叉背景的高新前沿技术，是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，将传感、处理与执行融为一体，从而可以用一个微型化的器件或系统实现与传统的器件或系统同样的功能，并可应用于一些对体积和重量有一定限制、常规器件或系统难以进入的领域。MEMS技术最早应该溯源到60年代末至70年代初，当时美国和日本等国利用硅材料的压阻效应，研制出了扩散硅压力传感器。这种传感器是采用集成电路的平面工艺技术，在单晶硅片上光刻、扩散敏感电阻，同时又采用研磨工艺在硅片背面加工出凹坑，俗称硅杯。[2]在这种传感器中单晶硅既是制作敏感电阻的微电子材料，又是制作弹性体的机械材料，这是最早的微电子元件与微机械结构实现单片集成的范例。由于敏感电阻和弹性体是在同一硅片上制作而成，彻底消除了粘贴应变片所带来的误差，同时由于可以在硅片上制作补偿电阻和电路，使扩散硅压力传感器的精度大为提高。扩散硅压力传感器的发展使单晶硅成为了优良的机械电子材料。到了70年代中期，美国Kulite压力传感器公司采用各向异性化学腐蚀技术代替机械研磨来制作扩散硅压力传感器的敏感膜片，并采用静电键合技术进行传感器组装。由于各向异性化学腐蚀可以对大硅片进行，使得压力传感器能够高精度地批量生产，同时又消除了研磨加工所带来的机械残余应力，提高了传感器的稳定性和成品率。为了加固边框，再将腐蚀加工后的硅片与玻璃静电键合在一起，然后再将整个硅片切割成一个个压力传感器芯片，并封装成器件。由于采用这种加工技术能够将几何尺寸控制在微米级，同时又主要是通过对硅的深腐蚀和硅片的整体键合来实现的，因而称它为体微机械加工技术。然而，由于这种体微机械加工技术需要对硅片背面进行光刻，并且需要进行大面积的化学湿法腐蚀，因此与集成电路工艺的兼容性很差，虽然它与微电子技术一起构成了MEMS技术的雏形，但当时并未将MEMS作为一个新的概念提出，也没有意识到微电子技术与微机械加工技术的结合即将开创一个全新的技术和应用领域。到了80年代中期，美国加州大学伯克利分校研究出了一种加工微结构的新方法，他们采用集成电路工艺中已经广泛应用的多晶硅薄膜作为结构材料，以磷硅玻璃作为牺牲层，在硅片上制作了一系列诸如硅梁、连杆、弹簧等机械运动部件，并在1987年研制出世界上第一个可以转动的硅微型静电马达（见图1），其转子直径仅为60～120微米。这种新的加工方法仅涉及到硅片正面的薄膜淀积与刻蚀，因此被称为表面微机械加工技术，它避免了体微机械加工所要求的双面对准、背面化学湿法腐蚀等问题，因此与集成电路工艺的兼容性大大提高。硅微型静电马达的研制成功显示出利用硅微机械加工技术制造可动微机械结构并与集成电路单片集成进而构成微小系统的潜力，因而在国际学术界引起了极大的轰动，并由此产生了微电子机械系统（MEMS）这一概念。与此同时，德国的研究人员发明了另一种微机械加工技术，即光刻电镀铸模（德文缩写是LIGA）技术，它利用同步辐射产出的X射线作为光源，采用镀膜和铸模工艺，在金属、塑料和陶瓷材料上制作了高数百微米且侧壁十分陡直的微机械结构，并进一步研制出电磁微马达，其扭矩大大超过硅微静电马达。然而，由于LIGA技术需要使用同步辐射X射线光源，并且该技术通常采用金属、塑料、陶瓷等非硅材料，与半导体平面工艺不兼容，难以与微电子信号处理电路实现单片集成，这些都使得它的应用受到很大限制。不过，受到LIGA技术的启发，人们开始研究对单晶硅材料的深刻蚀技术。不久，德国研究人员在反应离子刻蚀（RIE）技术的基础上，开发出一种称之为感应耦合等离子体（ICP）的硅深刻蚀技术，它能在单晶硅材料上刻蚀出具有高深宽比的微结构（见图2），微结构的横向尺寸几乎与设计图形完全一致，并且该技术与半导体平面工艺完全兼容，这克服了化学湿法腐蚀与半导体平面工艺不兼容、腐蚀出的微结构的横向尺寸与设计尺寸不一致的缺点。ICP技术目前已经进入商业应用，并已成为体硅微机械加工技术中的关键技术，它的出现使研究人员在制作具有复杂微结构、能实现特定功能的硅微机电系统时又多了一种强有力的加工手段，这使得MEMS设计更加灵活。图1表面微机械加工技术制作的硅微型静电马达经过二十多年的发展，由体硅微机械加工、硅表面微机械加工和LIGA技术为主体构成的微机械加工技术已经日臻完善，加工能力不断提高，加工对象不断扩大，已经研制出微型压力传感器、加速度传感器、光开关、微喷墨打印头、数字微镜显示器等几百种产品，应用领域涉及汽车电子、导航及控制、全光通讯、生化分析和临床医学、微小卫星、工业检测、高密度存储、微型机器人等，其中市场应用最为成熟的产品。图2ICP体硅深刻蚀技术制作的微结构2MEMS的特点①微型化:MEMS器件体积小、重量轻、尺寸在毫米到微米范围内.即区别与传统的大尺度的“机械”,又不是物理上的微观层次.因此耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短;②以单晶硅(Si)为主要原料,机械电器性能优良:Si材料的强度、硬度和杨式模量与Fe相当,密度类似Al,热传导率也与Mo和W不相上下;③可以批量生产:基于(但不限于)硅微加工制造技术,与微电子芯片类同,可以大批量、低成本生产.使性能价格比大幅度提高;④集成化:MEMS的目标是微“机械”与IC集成,制成具有更复杂的智能的微系统；⑤多学科交叉:MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械,还包括一切具有能量转化,功能传输等功能的效应-力、热、声、光、磁、信息、自动化以及化学、生物等。3MEMS的应用①专用集成微型机电系统微型机电系统的发展也是由低到高，由简单到复杂。专用微型仪器（ASIM）是简单但完整的微型机电系统，已在机电控制、微电子技术、航天、航空、尖端技术中得到较广泛的应用。它是为特定的用途，将若干简单微型机电系统的部件组装在一块硅基片上，或者说它相当于若干微型基本模块的组合件。由于它的用途单一，仅能完成某项特定的功能，因而系统相要简单些，体积小，工作可靠。②微型惯性仪表微型惯性仪表是三向微型加速度表和微型陀螺仪等的集成，是高技术水平的微型机电系统。它大量使用在航空航天领域，故迫切要求微型化和减轻重量。现已有多种微型加速度计、微型陀螺微硅加速度计阵列系统等。还有将X,y，z方向的3个微加速度表、3个微陀螺仪和相应的处理电路集成在一个芯片上，组成一个微型惯性仪表系统。(3)微型机器人微型机器人是能自己行动的微型机电系统，近年来发展迅速，已研制成多种不同功能的微型机器人，以满足不同领域的要求。图3所示，是法国EPFL自动化系统实验室1999年研制成功的微型轮式机器人小车，可看到它的体积甚小，比一个大蚂蚁大不了多少。该小车可以按设定的程序走规定的曲折的路程，自动变速并转弯。图4所示，是美国Sandia国家实验室2001年研制成的侦察用履带式微型机器人小车。它可在不平地面行走，该微型车体积约为4.lcm，重量小于28.4g，车上装备了微型数码照像机、微型信息传输系统，能将侦察到的信息输送回指挥控制中心，由于它体积小,隐蔽性好，能进入狭小的通道空间。此外还有用脚行走的微型机器人，微型管道机器人等。图3微型轮式机器人图4侦察用履带式微型机器人小车④微型飞行器这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器,可携带各种探测设备,具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近,监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行,敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战,可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地,直接引导导弹攻击目标。⑤低损伤手术用微型机器人如果在微型机器人上携带诊疗系统,使机器人具有能够在人体内进行组织采样和治疗等功能。目前,日本已经研制出一种具有趋光性的微型机器人,将导管插入患者的血管,微型机器人从导管中出来,在外科医生操纵下进行麻醉药注射或做手术修补血管,其方案构想如图5所示图5血管治疗用微型机器人系统近来,采用腹腔镜进行胆囊切除手术,已引起人们的很大关注。为了能更进一步减低损伤,已提出一种体腔内微机器人手术系统的研究方案。该方案设想通过插入导管往体腔内送入手术用微机器人;该机器人可在脏器间移动,利用激光进行胆囊切除手术如图6所示。[3]图6体腔内手术用微型机器人4MEMS的展望4.1MEMS研究方向多样化MEMS技术的研究日益多样化，涉及的领域主要包括惯性器件,如微型加速度计与陀螺、原子力显微镜（AFM）、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、微型泵和微型喷口、微流量器件、微型光学器件、微执行器、微型机电器件性能模拟、MEMS制造工艺、MEMS封装、微型医用器件、微型实验表征器件、微型压力传感器、微型麦克风以及微型声学器件等16个发展方向。[4]