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标题: MEMS技术 [打印本页]

作者: duller 时间: 2010-10-19 10:06
标题: MEMS技术
MEMS(Micro Electromechanical Systems，即微机电系统)是指采用微加工技术制作的包括微传感器、微致动(执行)器、微能源等微机械部分和处理信号的电子集成线路部分组成的微型器件与装置。由于集成了传感器、致动器等器件和装置，MEMS可根据微电子电路信息的指令控制致动器实现机械操作，也可利用传感器接受外部信息，将转换出来的信号导入电路后处理放大，再经致动器变为机械操作，执行命令。总而言之，MEMS是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成系统。研究MEMS的基础理论、设计、材料、加工、检测和应用的学科叫做MEMS技术。

与传统机电系统相比，MEMS的主要特征是微型化和系统集成性。微型化不仅是解决微观技术问题的有效途径，而且能够创造出具有新功能的装置。微型化的程度决定于在实现低成本的前提下有可能创造出来具有新功能器件的特征尺寸。大体上可以说，MEMS具有微米量级的特征尺寸与毫米量级的器件尺寸。系统集成性表现为MEMS是由微机械与微电子(VLSI)统一组成的装置，该装置由微电子控制微机械动作，而在控制系统中设有微传感器获取和提供信息。

由于MEMS的微型化和系统集成性等特性MEMS一般具有以下特点:

（1）批量制造。利用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量制造可大大降低生产成本。

（2）能耗低、灵敏度高及工作效率高。MEMS系统和器件所消耗的能量远远小于传统机电系统。由于MEMS器件惯性小，因而具有较高的灵敏度、测量精度和响应速度。同时由于MEMS的集成性，MEMS不存在信号延迟等问题，工作效率高。

（3）功能特殊性。MEMS微型化和系统集成化的特点，使得MEMS器件可以在许多特殊场合发挥自的功能。例如在学领域微米级的静电机可进入人的血管，执行清通血管阻塞的工作。

（4）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，并集成了这些学科的许多尖端成果技术。

MEMS技术最早可追溯到二十世纪五十年代末期。1959年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者R.Feynmam提出了微型机械设想。1987年，美国加州大学Berkreley分校发明了基于表面牺牲层技术的微马达，世界各国兴起了对MEMS研究的热潮。1993年，美国ADI公司采用MEMS技术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。二十世纪九十年代，发达国家先后投巨资设立国家重大项目促进其发展。经过十多年的研究，目前己有部分MEMS器件实现了产业化，如ADI公司的微型加速度计、通用汽车公司和摩托罗拉公司生产的微型压力传感器、美国德州仪器(TI)公司生产的数字微镜器件(DMD)、各种喷墨打印机的微喷嘴以及生物芯片等。MEMS的应用领域十分广泛，包括从汽车行业、医疗、通信和航空航天到农业和军事等各个方面。

MEMS的微型化和集成化给MEMS产品的加工带来很大的挑战。实现MEMS产品的工艺基础是微加工技术，包括以美国为代表的以集成电路加工技术为基础的体微加工工艺、表面加工工艺和键合工艺等硅基微加工技术和以德国为代表的LlGA技术等。

体微加工工艺是指对用作基底的晶片进行三维加工，通过各向同性腐蚀或各向异性腐蚀在晶片内部腐蚀深坑、深穴和沟槽等。采用体微加工工艺加工出的器件具有较高的深宽比，即结构的高度相对最小横向尺寸的比值较大，因而在许多情况下可以获得较高灵敏度。目前国内外己经使用体微加工工艺研制出阀片式微流量传感器等器件。

表面微加工工艺也叫牺牲层工艺，是指在基底上进行结构生长的加工工艺。采用表面微加工工艺加工MEMS器件，定型精确，但所用的多晶硅材料的机械及电学性能都不如单晶硅，并且多晶硅不宜于进一步加工。表面微加工工艺的优点是在制造过程中所使用的材料和工艺与常规集成电路生产有很强的兼容性，因而可将机械结构与电子电路很方便地集成在一起。使用表面微加工技术己制造出静电驱动微电机和多晶体步进致动器等可运动或可转动的部件。

键合工艺是指通过化学键和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合的工艺方法。键合工艺通常用来对微结构进行支撑和保护，也可以实现机械之间或机械结构与集成电路之间的电穴连接。使用键合技术已经制造出微惯性器件和微压力传感器等器件。

LIGA技术是Lithographie、Galvanoformung和Abformung三个德文词的缩写，指利用X射线光刻技术，通过电铸成型和塑铸成型形成深层微结构的加工工艺。与体微机械加工技术相比，LIGA技术具有深宽比较高、结构精细和加工精度高等优点。与表面微加工技术相比，它又具有深宽比较高，可构成三维微结构的优势。LIGA技术的应用范围很广，使用LIGA技术已开发和制造出微齿轮、微过滤器、微红外滤波器以及微加速度传感器等。

相对硅基微加工技术和LIGA工艺，不采用掩模的特种微细加工技术，如微细激光成型、微细电火花加工以及微细机械加工等加工方法近年来也取得较大进展，并成功应用于三维微小机械结构成型上。

经过十多年的发展MEMS技术已取得相当的成就但MEMS技术还不成熟，仍在不断发展，表现出以下的发展趋势:

（1）研究领域多样化;

（2）MEMS器件结构和功能复杂化;

（3）MEMS系统集成化;

（4）新材料和新工艺不断出现;

（5）MEMS CAD技术越来越受重视。

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