（微电子学与固体电子学专业论文）磁微执行器分布参数模型研究.pdf

摘要 磁驱动微执行器是一种重要的微执行器。与静电驱动相比，磁驱动具有一些无可替代的优点， 例如：是电流控制型器件，不需要产生高电压的殴备、能提供较大的驱动力或力矩、行程长等。因 此，尽管磁微执行器在制造工艺方面存在一些困难，但它们一直得到人们的特别重视。近来，a h n 提出了一种磁微梁执行器，其制造工艺与c m o s 工艺兼容，性能优良，有很好的应用前景。本论文 就以a l a n 的磁微梁执行器为研究对象。与静电微梁执行器类似，磁微梁执行器中的磁场力与微梁的 弹性变形是耦合的，是典型的与弹性变形相关的非线性力。分析计算这类器件的方法可分为三类： ( 1 ) 数值法。有限元法、边界元法等数值方法能很好地处理复杂几何形状及边界条件，适用性很广。 但数值法的方程阶数很高，计算效率很低，不利于系统级模拟。数值法更适用在校核计算中。 ( 2 ) 解析法。对于简单几何形状及边界条件的器件，可以直接求出解析解。该解的优点是能体现几 何参数与器件性能的关系，非常利于系统级仿真和优化。缺点是只能处理非常简单的工况。 ( 3 ) 宏模型法。宏模型是一种降阶的方程，是解析形式的，一般方程阶数只有几个，计算效率高， 非常利于系统级仿真。 目前已有的磁微梁执行器模型有如下三种： ( 1 ) t i l m a n s 等直接利用电磁相似性，提出了分布参数的力一磁耦合宏模型，但该模型忽略微磁芯磁阻。 对于宏观器件，磁芯磁导率远大于磁隙中的空气磁导率，磁芯磁阻相对于磁隙磁阻很小，可以 忽略。但对于磁微执行器，微磁芯磁阻是不可忽略的，直接利用电磁相似性是不合适的。 ( 2 ) a h n 等提出了考虑微磁芯磁阻的理论计算模型。但他忽略了弹性变形一磁耦合，将梁的弹性变形 与磁场力分开计算，只在小变形情况下有良好的近似精度。而且该模型只是一个集中参数模型。 ( 3 ) n a m i 等提出了一个考虑微磁芯磁阻，并且考虑了弹性变形一磁耦合，但该模型也只是一个低精度 的集中参数模型，不适合处理梁弹性变形( 分布参数问题) 。 p u l l i n 失稳是静电微执行器和磁微执行器中的主要现象，p u l l i n 失稳参数也是器件设计的关键 参数之一。目前关于静电微执行器p u l l i n 失稳问题的研究非常多。研究方法可分为两类：一类可称 为“力法”，即研究作用在活动极板上的静电力与弹簧力的合力变化，导出p u l l i n 失稳条件。另一 类是“能量法”，即利用平衡位置处总势能最小，导出p u l l i n 失稳条件。两种方法得出的结果完全 一致。力法的优点是能直观地反映物理现象；能量法的优点是具有高度的概括性、统一性，能将力 法纳入其中。但能量法的缺点是比较抽象。 本论文研究磁微梁执行器的分布参数宏模型，主要创新点如下： ( 1 ) 将a l a n 的磁微执行器简化为弹性悬臂微梁，考虑了微磁芯磁阻，利用共能最小定理和磁路定律。 建立了弹性变形磁耦合的分布参数微梁静态方程，得到微梁变形与驱动电流的关系。采用梁的 模态函数线性组合来逼近粱的变形曲线，提出了方程的解法，并将计算结果与已有的文献结果 做了对比，模型精度得到了验证。 ( 2 ) 考虑惯性力，得到了微梁振动方程。将弹性变形一磁耦合动态方程组在静态偏置位移处做t a y l o r 线性展开，得到了动态小信号的宏模型。小信号宏模型中的刚度项将由两部分组成：机械弹簧 刚度、弹性变形一磁耦合刚度。同样采用梁的模态函数线性组合来逼近梁的变形曲线，并利用磁 路定律，引入微磁芯磁阻，首次建立了考虑弹性变形一磁耦合的动态小信号方程组。 ( 3 ) 先按力法”，在静态的力一磁耦合宏模型和动态的小信号力一磁耦合宏模型的基础上，考虑微 磁芯磁阻，按小信号模型失稳条件研究了磁微执行器p u l l i n 失稳机理，得到了p u l l i n 发生的两个 条件。由这两个条件，可以求出p u l l i n 电流、p u l l i n 位移两个未知量。然后，基于能量法研究 了同样问题。这两种方法给出了完全一致的结果。最后，给出了算例。 此外，本论文导出的力一磁耦合模型及p u l l i n 参数计算对该类器件的设计有一定意义。 关键词：磁微执行器；分布参数；宏模型；p u l l i n a b s t r a c t am a g n e t i cm i c r o a c t u a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n tm i c r o a c t u a t o r s i nc o n t r a s tt oe l e c t r o s t a t i c m i c r o a c t u a t o r s ，m a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r sc a l lb et y p i c a l l yo p e r a t e da ts u b s t a n t i a l l ys m a l l e rv o l t a g e s 。 m o r e o v e r , t h em a g n e t o s t a t i em i c r o a c t u a t o r so f f e ral a r g ef o r c eo rm o m e n t ，al o n g r a n g ea c t u a t i o na n da r a p i dr e s p o n s e h o w e v e r , i m p l e m e n t a t i o no ft h em a g n e t o s t a t i ca c t u a t o r si nm e m st e c h n o l o g i e sa n do na s i l i c o nc h i pi sm u c hm o r ed i f f i c u l tt h a ne l e c t r o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r s a sar e s u l t t h em e m sm a g n e t o s t a t i c a c t u a t o r sa r el e s sp r e v a l e n ta n dw e r er a r e l ys t u d i e di nt h el i t e r a t u r e n e v e r l e s s b e c a s u eo ft h em a n y p o s s i b l ea p p l i c a t i o n sa n dm a r k e tr e q u i r e m e n t s ，t h em e m sm a g n e t o s t a t i ca c t u a t o r sa r ec u r r e n t l yd r a w i n g m u c ha t t e n t i o n t h e r ei sa l la n a l o g yb e t w e e ne l e c t r o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r sa n dm a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r s t h ea n a l y s i so fm a g n e t o s t a t i c a li ya c t u a t e ds t r u c t u r e si n v o l v e st h et i g h tc o u p l i n go fm e c h a n i c a la n d m a g n e t i cf o r c e d e s i g n e r so fs u c hm a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r sn e e de f f i c i e n ta n da c c u r a t ea n a l y s i s m o d e l st oi n v e s t i g a t ed e s i g na l t e r n a t i v e s t h es i m u l a t i o nm e t h o d sf o rt h ed e v i c e sc a nb es o r t e dt ot h r e eg r o u p s i nt h ef i r s tg r o u p n u m e r i c a l t e c h n i q u e s ( f e m b e m ) a r eu s e dt os i m u l a t et h eb e h a v i o ro ft h ed e v i c e s b u tt h eu s e do ff e m b e mc o d e s r e m a i n sl i m i t e df o rt w or e a s o n s f i r s t t h eu s eo ff e m b e mc o d e si sp r o h i b i t i v e l yc u m b e r s o m ea n dt i m e c o n s u m i n g c o n s e q u e n t l y , i ti si m p o s s i b l et o u s ef e m b e mc o d e si ns y s t e m l e v e ls i m u l a t i o n s s e c o n d ， f e m b e mm o d e l su s en u m e r o u sv a r i a b l e st or e p r e s e n tt h ed e v i c es t a t e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c ho f t h e s ev a r i a b l e sa n dt h eo v e r a l ld e v i c ep e r f o r m a n c e si sn o tc l e a rt od e s i g n e r s t h em o d e l so ft h es e c o n d g r o u pa r eo n l yf o rs o m es i m p l ed e v i c e s ，s u c hb e a m b a s e dd e v i c e s t h e s em o d e l sc a nb es o l v e da n a l y t i c a l l y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne a c ho ft h e s ev a r i a b l e sa n dt h eo v e r a l ld e v i c ep e r f o r m a n c e si sv e r yc l e a rt o d e s i g n e r s i nt h et h i r dg r o u p ，t h er e d u c e d o r d e rm o d e l i n gm e t h o d ，o rm a c r o m o d e l sa r eu s e dt os i m u l a t et h e d e v i c e s t h er e d u c e d o r d e rm o d e l i n gm e t h o di sb a s e do nam o d a lr e p r e s e n t a t i o no ft h es t r u c t u r a lr e s p o n s e t h ed e f o r m e ds t r u c t u r a ld o m a i ni sd e s c r i b e db yaf a c t o r e ds u mo ft h em o d e ls h a p e s ( e i g e n v e c t o r s ) h o w e v e rt h e r ea r eo n l yaf e ws i m p l ea n a l y s i sm o d e l sf o rm a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r s t h ep r e v i o u s m o d e l sa r eo f f e ni n s u f f i c i e n tt or e v e a ld e t a i l so fd e v i c eo p e r a t i o na n dc r i t i c a lt e c h n o l o g i c a li s s u e sa s c o m p a r e dw i t hm a n ye f f i c i e n ta n da c c u r a t ee l e c t r o s t a t i ca c t u a t o rm o d e l s 。a l t h o u g ht h e r ei sas i m i l a r i t y b e t w e e nt h ee l e c t r i ca n dt h em a g n e t i cd o m a i n t h ep r e v i o u sm o d e l sf o rm a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ( 1 ) t i l m a n sp r e s e n t e da ne l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o rs m a l ls i g n a ld y n a m i cm o d e lu s i n gt h e l i n e a rm o d e s h a p e so fam i c r o s t r u c t u r ea sb a s i sf u n c t i o n s b u tt h em o d e ln e g l e c t e dr e l u c t a n c eo fm a g n e t i cc o r ea n d i so n l ya p p r o p r i a t ei nm a c r o s c a l e i nt h ec o n v e n t i o n a lm a c r o s c a l ec a s e 。t h er e l u c t a n c eo ft h e m a g n e t i cc o r ei su s u a l l yn e g l i g i b l ys m a l lc o m p a r e dw i t ht h a to ft h eg a p m o s to ft h em a g n e t i ce n e r g y i ss t o r e di nt h eg a p b u ti nam a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r , t h er e l u c t a n c eo ft h em a g n e t i cc o r eh a sa c o m p a r a b l ev a l u et oo re v e ne x c e e d st h eg a pr e l u c t a n c ed u et ot h ef a b d c a t i o nl i m i t a t i o n s t h et o t a l e n e r g ys t o r e di nt h es y s t e mi st h es u mo f t h ee n e r g ys t o r e db o t hi nt h ec o r ea n dt h eg a p ( 2 ) a h np r e s e n t e das i m p l el u m p e d p a r a m e t e rm o d e la c c o u n t i n gf o rt h em i c r o - m a g n e t i cc o r er e l u c t a n c e f o rt h em a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r b u th i sm o d e lw a sb a s e do nn e g l e c t i n gt h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e m a g n e t i cf o r c ea n dt h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o n ( 3 ) n a m ip r e s e n t e dac o u p l i n gm o d e lf o rt h em a g n e t i cm i c r o a c t u a t o ra c c o u n t i n gf o rt h em i c r o m a g n e t i c c o r er e l u c t a n c ev i aa n e n e r g y b a s e d c r i t e r i o n b u tt h eb e a md e f l e c t i o nm o d e li sa l s oa l u m p e d p a r a m e t e rm o d e ia n di sn o ts u i t a b l ef o rm i c r ob e a m - b a s e dd e v i c e s e l e c t r o s t a t i ca c t u a t o r so f t e ne x h i b i ti n h e r e n ti n s t a b i l i t y , k n o w na sp u l l i n ，w h i c hc a nb ee i t h e rh a r m f u lo r u s e f u l ，d e p e n d i n go nt h ea p p l i c a t i o n s 。i tw a ss h o w nt h a tm a g n e t o s t a t i ca c t u a t o r sm a ye x h i b i t s i m i l a r i n h e r e n tb i s t a b l ep h e n o m e n o n 。p u l l i np h e n o m e n o no fe l e c t r o s t a t i ca c t u a t o r si se x t e n s i v e l ys t u d i e di nm a n y l i t e r a t u r e s t h ep u l l i ne q u a t i o na n dp a r a m e t e r sc a nb eo b t a i n e dv i at w oa p p r o a c h e s t h ef i r s ta p p r o a c hi sa g e n e r a l i z e df o r c ea p p r o a c h t h ef o r c ea p p r o a c hi st os t u d yt h ev a r i a t i o no ft h en e tf o r c eo fe l e c t r o s t a t i c i i f o r c ea n ds p r i n gf o r c ea c t e do nm i c r o s t r u c t u r e i ft h ev a r i a t i o no ft h en e tf o r c ei sp o s i t i v ef o rt h ep o s i t i v e v a r i a t i o no ft h eg a p ，p u l l - i no c c u r s t h es e c o n da p p r o a c hi sa ne n e r g ya p p r o a c h t h ee n e r g ya p p r o a c hi st o a n a l y z et h ec o - e n e r g yr e p r e s e n t a t i o n f o l l o w i n gt h et h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t yc r i t e r i a , i ti ss h o w nt h a tt h e m a g n e t i cp u l l - i np o i n ti sa c h i e v e dw h e nt h ef i r s ta n ds e c o n dd e r i v a t i v e so ft h ee n e r g ye q u a t i o nw i t hr e s p e c t t ot h em e c h a n i c a le x t e n s i v ep a r a m e t e ra r es i m u l t a n e o u s l yz e r o t h er e s u l t so ft w oa p p r o a c h e sa r ei d e n t i c a l b u tt h ef o r c ea p p r o a c hi sm o r ec o n c i s e t h ea i mo ft h ep r e s e n tp a p e ri st op r e s e n tar e d u c e d o r d e rm o d e lt od e s c r i b et h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f d i s t r i b u t e d p a r a m e t e rm i c r o b e a m b a s e dm a g n e t i cd e v i c e s a h n sm a g n e t i cm i c r o a c t u a t o ri ss e l e c t e da sa l l e x a m p l ei nt h i sp a p e rt h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ( 1 ) as t a t i cm e c h a n i c s - m a g n e t i cc o u p l i n gm a c r o m o d e if o ram a g n e t i cm i c r o a c t u a t o ri sp r e s e n t e d ，i nw h i c h t h ed e f o r m a t i o nc u r v eo fam i c r o b e a mi sa p p r o x i m a t e db yl i n e a rc o m b i n a t i o no ft h ec a n t i l e v e r - b e a m s m o d a lf u n c t i o n t h ei n t e g r a t i o nf o rm a g n e t i cf o r c ei sc a l c u l a t e db yd i v i d i n gt h em i c r o b e a mi n t os e v e r a l i n t e r v a l s ，a n dt h en o n l i n e a re q u a t i o ns e th a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h em a g n e t i cc i r c u i tp r i n c i p l e a n dt h ev a r i a t i o nm e t h o d t h ec o m p l e x i t yo ft h em a c r o m o d e id e p e n d so nt h es e l e c t i o no fm o d a l n u m b e r i nc o m p a r i s o nw i t hp r e v i o u sc o n v e n t i o n a im o d e l s t h i sm a c r o m o d e la c c o u n t sf o rt h ec o u p l i n g b e t w e e nt h eb e a md e f l e c t i o na n dm a g n e t i cf o r c e t h em a c r o m o d e li sv a l i d a t e db yc o m p a r i n gi t s r e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t sa v a i l a b l ei ns o m el i t e r a t u r e s ( 2 ) s i m i l a rt ot h ee l e c t r o s t a t i ca c t u a t o r s ，t h ed r i v e nc u r r e n to ft h em a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r si s c o m p o s e do fad cc o m p o n e n ta n da na cc o m p o n e n t t h ed i r e c tc u r r e n tc o m p o n e n ti sm u c hg r e a t e rt h a n t h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tc o m p o n e n t b a s e do nt h es t a t i cm e c h a n i c a l m a g n e t i cc o u p l i n gm a c r o m o d e l ，a d y n a m i cm e c h a n i c a l m a g n e t i cc o u p l i n gm o d e if o ram a g n e t i cm i c r o a c t u a t o rw i t ham u l t i l e v e l m e a n d e ri sp r e s e n t e d w ee x p a n dt h em o d e ii nat a y l o rs e r i e sa r o u n dt h ed cc u r r e n ta n dt h es t a t i c d e f l e c t i o nu pt of i r s to d e ra n dd e r i v eas m a l ld y n a m i cm o d e lf o rt h em a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r s ( 3 ) ag e n e r a l i z e df o r c ea p p r o a c hi sf i r m l yu s e dt om o d e lt h eu n s t a b i l i t yo fm a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r s t h e r e l u c t a n c eo ft h em a g n e t i cc o r ei sc o n s i d e r e d t h ec r i t i c a lv a l u eo fa p p l i e dc u r r e n tb e y o n dw h i c ht h e d y n a m i cr e s p o n s eo fs m a l lg a i nm o d e lb e c o m e su n s t a b l ei si n v e s t i g a t e da n dt h ep u l l i ne q u a t i o ni s d e r i v e d t h e nag e n e r a l i z e de n e r g ya p p r o a c hi su s e dt om o d e lt h es a m ep r o b l e m t h er e s u l t so ft w o a p p r o a c h e sa r ei d e n t i c a l f i n a l l y , ac a s es t u d yo ft h em a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r , i l l u s t r a t i n gt h eu s eo ft h e p u l l i np a r a m e t e r s i sp r e s e n t e d t h ep r e s e n tm o d e l si nt h ed i s s e r t a t i o nc a nb eu s e df o rg e n e r a lp u r p o s ed e s i g n ，a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n o f m a g n e t i cm i c r o a c t u a t o r s k e y w o r d s ：m a g n e t o s t a t i cm i c r o a c t u a t o r s ；d i s t r i b u t e d p a r a m e t e r ；m a c r o m o d e l ；p u l l - - i n i i i 图表索弓 第一章 图表索引 图1 1两条平行导线通以同方向的电流会产生吸引力示意图 图1 2 导线中通以电流在磁场中的受力情况示意图 图1 3 载流梁弯曲结构磁微执行器示意图 图1 4 永磁体悬梁结构磁微执行器原理图 图1 5 多晶硅悬臂梁弯曲结构磁微执行器示意图 图l 。6 铰接梁结构的磁微执行器机构示意图 图1 7 带有坡莫合金的添加工艺机械螺线管 图1 8 以标准的c m o s 工艺制造磁线圈 图1 9 电磁型微马达结构示意图 图1 1 0 磁式微型马达横截面 图1 1 l滑动永磁体的微马达 图1 1 2 微型超电导磁悬浮搬运系统 图1 1 3 传统的磁离子分离器结构图 图1 1 4 磁微结构离子分离器结构图 图1 1 5 微弹片结构磁微继电器原理图 图1 1 6 弹片矩阵结构磁微继电器原理图 图1 1 7 悬臂梁式磁致伸缩微阀门 图1 1 8 改进的多层弯曲螺线管 图1 1 9 多级弯曲磁微梁执行器结构示意图 表1 1 静电力驱动、热驱动和磁驱动三种驱动方式的比较 第二章 图2 1 静电微执行器结构示意图 图2 2 集中参数的静电微执行器的静态力学模型 图2 3 活动极板平行于固定极板运动的静电微执行器 图2 4 活动极板的运动方向垂直于固定极板磁微执行器结构示意图与磁路图 图2 5 活动极板运动方向平行于固定极板磁微执行器示意图和未考虑磁芯磁阻的磁路图 图2 6 考虑磁芯磁阻时，活动极板运动方向平行于固定极板磁微执行器磁路图和磁阻参数定义图 图2 7 本文提出的，考虑磁芯磁阻时，活动极板运动方向平行于固定极板磁微执行器磁路图和磁阻 参数定义图 表2 。l 恒定的静电场、电流场和磁场中的相似量 表2 2 静电执行器与磁执行器的类比 表2 3 各种静电微执行器模型和磁微执行器模型的汇总与对比 9 1 东南大学博士学位论文 第三章 图3 1 两端圊支梁受力示意图 图3 2 磁悬臂微梁的力学模型 图3 3 多级弯曲磁微梁执行器等效磁路图 图3 4 计算结果与文献实验结果【1 1 5 】对比 图3 5 微梁所受的磁场合力 图3 6 微梁在o 8 a 和0 2 a 的两个脉冲响应的对比 图3 7 与静电微执行器类似，磁微执行器同有频率随偏置电流的增大而减小 表3 1 各种静电微执行器、磁微执行器的模型对比 表3 2 多层弯曲磁微梁执行器参数 第四章 图4 1 图4 。2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 平板电容式静电微执行器示意图 磁驱动微执行器结构示意图 磁路图 极板间距关于直流电流而变化的数值计算结果 作用在磁隙种磁芯上的磁动势 本文提出的，考虑磁芯磁阻时，活动极板运动方向平行于固定极板磁微执行器磁路图和磁阻 参数定义图 偏置电流和活动极板的偏置位移关系 偏置电流和储存在磁芯和磁隙中的磁势能的关系 表4 。1 磁微粱执行器参数 表4 2 衔铁式磁微梁执行器参数 表4 3 各种静电和磁微执行器的p u l l i n 模型 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所星交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：逝曰期：型生：三： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档。可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：五叁姻导师 第一章前言 1 1m e m s 技术简介 第一章前言 m e m s 是m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m 的缩写，即微电子机械系统。一个m e m s 包含一些尺 寸从1 微米到1 毫米之间的器件。它主要包含微传感器、致动器和处理单元三类主要器件。微传感 器是为了感知某些物理、化学或生物量的存在和强度，例如温度、压力、力、声、光、核辐射、磁 通量，以及化学成分等。信号处理与控制电路处理信息并作出决策。微型执行器则根据控制电路发 出的指令完成人们所期望的操作。 m e m s 在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势，包括体积和能耗大大缩小、可实现许多 全新的功能、可实现大批量和高精度生产、单件成本低、易制成大规模和多模式阵列等。 m e m s 技术自从八十年代初出现以来，就引起了世界各国的高度重视，相关报道大量涌现【1 1 0 l ， 各种各样的m e m s 器件被研制出来，用于大量的应用领域，并被广泛地应用于商业中。还有很多其 他类型的微器件已经进入市场或正在开发中l 啦】。 m e m s 的设计、制造和封装主要涉及到五大工程学科：机械工程；电子工程，包括电能供应和 功能控制以及信号处理电路设计；微加工和微制造中的化学工程：微加工、制造以及封装中涉及的 材料工程；微系统的生产和装配的工业工程。m e m s 技术利用了力学、流体力学、热学、电磁学、 光学以及化学和生物学等方面的原理与效应，其设计和制造方法多种多样，所用的材料种类较多， 应用领域和市场广阔。事实上，多学科交叉和多样性可以认为是m e m s 技术最重要的一个特点。 它有两个方面的含义：一方面，在规划、设计、制造过程中要用到多学科的知识和方法；另一方面 是指m e m s 器件广泛的市场和应用领域。 虽然m e m s 技术和许多学科都有交叉，但也必须意识到它与其他概念的差异，比如同属半导体 学科的微电子技术、集成电路0 c ) 的制造技术等。微电子是2 0 世纪最有影响力的技术之一，当前 m e m s 领域里的很多工程师和科学家也都是微电子领域和集成电路方面的专家，而且由于m e m s 技术采用了许多与集成电路相同的制造技术，所以常将m e m s 技术与集成电路技术相类比，但这种 类比会产生误导。在许多方面，微系统与微电子都有非常大的差异，不能完全等同起来。具体表现 在1 4 3 】： ( 1 ) 相对微电子，微系统包括很多不同的材料。除了常用的硅材料，还有其他材料。例如石英、g a a s ， 作为微系统的基底材料。在利用l i g a 工艺制作的微系统中，聚合物和金属材料是很常用的。 微系统的封装材料包括玻璃、塑料和金属，而微电子的封装不用这些。 ( 2 ) 。相对微电子，微系统设计要面向大量的各种各样的功能，而微电子仅限定于电子功能设计。因 为集成电路仅仅用于处理电信号，而m e m s 设备实际上是物理世界与电子世界的接口。因而， 它必然运行在一个更广阔、更多样化、更复杂的整体环境中。一方面这种实际情况使得每一种 m e m s 器件的设计、生产和应用更具复杂性：另一方面这又使m e m s 器件在光纤传感开关、流 体控制、微机械电子继电器等更加广阔的范围进行应用成为可能。 ( 3 ) 很多微系统包括可动部分，例如微型阀、泵和齿轮。而微电子没有任何可动部件。 ( 4 ) 集成电路主要是硒维结构，被限制在硅芯片表面。然而大部分微系统包括复杂的三维几何图形。 ( 5 ) 微电子中的集成电路在封装后与环境绝缘。然而，微系统中的敏感元件和一些核心元件需要与 工作介质接触，这导致一些设计和封装中的技术问题1 4 4 1 。 东南大学博士学位论文 ( 6 ) 微电子的制造和封装是成熟的技术，有规范成文的工业标准，微系统的生产与这种成熟程度还 有非常大的距离。 m e m s 技术的目标之一是实现器件的小型化，而微系统是机器和器件最终小型化进程中关键的 一步。尽管仍然处于它的早期状态，微系统技术已经将新世纪的目标锁定在开发纳米尺度的器件系 统上。因为小型化将使工程系统和器件变得越来越复杂和精致，并具有一些独特的优点：小的系统 惯性质量小，移动更为迅速；小器件的小尺寸所面临的热变形和振动问题会更少，因为一个系统的 谐振与质量成反比；小型化还可以满足高精度和有效载荷要求，适应于航天器和远程通信系统。 微系统器件的尺寸已经被不断缩小了，一些m e m s 器件的尺寸已经到了皿微米级。这种微小尺 寸装置器件的加工显然超越了车、钻、磨、锻、铸、焊等传统机械加工方法。而用于加工这种微小 器件的微加工技术使得制作硅微机械部件成为可能，进一步促进了微执行器的发明【4 5 - 5 4 。微执行器 是微电子机械系统的十分重要的部分，它们具有非常广泛的应用领域，如航天技术、海洋工程、原 子能、医药、汽车、生物工程等领域。 1 9 5 9 年1 2 月美国物理学家，诺贝尔奖得主，r i c h a r df e y n m a n 这样来描述m e m s 技术：“如果 有一天可以按人们的意志安排一个个原子，那将会产生什么样的奇迹呢? ”2 0 世纪8 0 年代初期， 在这期间几个具有决定意义的事件分别起了巨大的作用。1 9 8 2 年和1 9 8 3 年，汽车用微机械多路绝 对压力传感器和一次性医用血压传感器投入批量生产，这是最早的大规模生产的m e m s 器件。8 0 年代初，一些有远见的科学家提出了微机械执行器的概念。1 9 8 3 年，第一届国际固态传感器与执行 器会议在荷兰举行。1 9 8 1 和1 9 8 2 年两家从事m e m s 技术商业化的公司m i c r o s e n s o rt e c h n o l o g y ，i n e 和t r a n s e n s o r yd e v i c e s ，l n c 先后成立。1 9 8 2 年i e e e 会议论文集上发表了第一篇对该领域的综述 性文章作为机械材料的硅。斯坦福大学的j a m e s b a n g e l i 教授是m e m s 技术的奠基人之一，他 早在7 0 年代初期就开始了微加工领域的研究工作。到1 9 8 3 年美国所有主要的大学都正式有了重要 的m e m s 研究项目。1 9 8 7 年，c a l i f o r n i au n i v e r s i t y 的b e r k e l e y 分校的范龙生等人，在第四届国际同 态传感器与执行器会议上报道了用表面微机械加工方法制成的多晶硅齿轮，带活动接头的连杆、导 轨、滑板和弹簧等微机械部件，引起了国际科学界的震动。在同一次会议上，a t & tb e l l 实验室的 科学家还报道了3 0 0 微米的硅叶轮制成的微汽轮机，用3 5 k p a 的气源驱动时转速可达2 4 0 0 0 转分。 不到一年，范龙生等人又研制成功了静