（电工理论与新技术专业论文）扁平驻极体微电机的研究与仿真.pdf

国要点毒z 杰芝 西北工业大学预士论文 a b s t r a c t m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) r e f e r st oak i n do f m i c r o a p p a r a t u s o r m i c r o s y s t e mw h i c hc o m b i n em i c r o s t m c t u r e s ，m i c r o s e n s o r s ，m i c r o a c t u a t o r sa sw e l l a sc o r r e s p o n d i n gs i g n a ld i s p o s a lc o n t r o lc i r c u i t si n t oaw h o l e i ti st h ep r o d u c to f c o m b i n a t i o no fv a r i e d d i s c i p l i n e si n c l u d i n gm a c h i n e ，m a t e r i a l ，i n f o r m a t i o n a n d a u t o c o n t r o la n ds o o n u s u a l l y , e l e c t r o s t a t i c m o t o r sa r e e m p l o y e d a s m i c r o m e c h a n i c a ld y n a m i c a lc o m p o n e n t si nm i c r o a c t u a t o r s e l e c t r o s t a t i cm o t o r s t a k ec h a r g ei nc h a n g i n ge l e c t r i c a ls i g n a li n t om e c h a n i c a lm o v e m e n t a sa r e s u l t ，t h e b u l ka n df u n c t i o no ft h e mw i l lm a k ed i r e c ti n f l u e n c eo nt h ew h o l e p e r f o r m a n c eo f m e m s i nt h i s p a p e r , w ef i r s t i n t r o d u c e dt h el a t e s tr e s e a r c ht r e n d so fm e m sa n d e l e c t r o s t a t i cm o t o ri nb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s t h e n ，w ei n t r o d u c e dt h e f u n d a m e n t a lt h e o r yo fm e m sa n d e s p e c i a l l ym a d ee m p h a s i so n t h ei n t r o d u c t i o no f m i c r o - m e c h a n i s mm a n u n c t u r et e c h n o l o g y w ep u tf o r w a r dt h ec o m p r e s s e de l e c t r e t m i e r o m o t o rm o d e lb yi m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fc l a s s i c a le l e c t r e tm o t o r c o m p a r e d w i t hc l a s s i c a le l e c t r e tm o t o r , c o m p a s s e de l e c t r e tm i e r o m o t o rh a ss o m ep a r t i c u l a r s u p e r i o r i t i e s w h i l et h ec o m p r e s s e de l e c t r e tm i c r o m o t o ra d o p tt o p d r i v es t r u c t u r e t h e o u t p u tt o r q u eo fi t i s l a r g e rt h a nt h a to fs i d e d r i v es t r u c t u r e t h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo ft h ec o m p r e s s e de l e c t r e tm i c r o m o t o ri s t h ev a r i a b l ec a p a c i t a n c e n 】e a t t e n u a t i o nt i m ec o n s t a n to ft h ec h a r g e so nr o t o rs u r f a c ei sm u c hl o n g e rt h a nt h e s h a p i n gt i m eo f e l e c t r e ti t s e l fw h i l et h er o t o ri sm a d eo fe l e c t r e t i nt h i sp a p e r , w e e s t a b l i s h e dam o d e l o f c o m p r e s s e d e l e c t r e tm i c r o m o t o ra n d a n a l y s e d t h ee l e c t r o s t a t i c f o r o eb e t w e e ns t a t o ra n dr o t o rb a s e do nt h ee l e c t r o s t a t i c sp r i n c i p l e a n dm e a n w h i l e ， w ew o r k e do u tt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o r m u l ao f o u t p u tt o r q u eo fs i n g l e - s t a t o r m i c r o e l e c t r o s t a t i cm o t o rs e r i e s w ed e s i g n e dt h ed o u b l e s t a t o rc o m p r e s s e de l e c t r e t m i c r o m o t o rs u c c e s s f u l l ya n dc o n d u c t e dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao f o u t p u tt o r q u eo f 2 p o l e 一2 p o l ec o m p r e s s e d e l e c t r e tm i c r o m o t o r w h a t sm o r e w er e a l i z e d t h e f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) o fe l e c t r o s t a t i c - f i e l db e t w e e ns t a t o ra n dr o t o ro f d o u b l e s t a t o rc o m p r e s s e de l e c t r e tm i c r o m o t o r 、】l ，i t ht h ea i do fa n s y sa n di t sa p d l l a n g u a g e w eg o tt h er o t a r yd r i v ef o r c eo f r o t o ri ne l e c t r o s t a t i c f i e l da n dc o m p a r e d i t w i t ht h eo n ei nt h e o r e t i c a l l y t h e ya r ec o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r b yt h el a r g e i nt h e e n d ，w ed i s c u s s e dt h ep r o b a b i l i t i e sa n ds u p e r i o r i t i e so fd o u b l e - s t a t o rc o m p r e s s e d e l e c t r e tm i c r o m o t o ra se l e c t r e tm i c r o - p u m pb yc o m p a r i n gi tw i t hm a g n e t i cp u m p w ea l s os t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no fc o m p r e s s e de l e c t r e tm i c r o m o t o ra s m i c r o c h i p i i 弛i j 燃兰 西北工业大学硕士论文 c o o l i n g f a n w eb e l i e v ec o m p r e s s e de l e c t r e tm i c r o m o t o ri sb e t t e rm i c r o a c t u a t o r si nt h e f u t u r e i tc a l lb ea p p l i e di nv a r i o u sf i e l d ss u c ha sa v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，m i l i t a r ya n d m e d i c i n ea n ds oo n k e y w o r d s ：m e m s ；e l e c t r o s t a t i cm o t o r ；v a r i a b l ec a p a c i t a n c e ；t o p d r i v e e l e c t r e t ；f e a ；m a g n e t i ep u m p ； i i i 燃点兰 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 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，可译为微机电系统。1 9 8 8 年美国加州大学伯克利分校m u l l e r 研究小组发明了转子直径为6 0 1 0 0 “聊的 硅静电马达，它的报道在当时引起了很大的轰动。同期，麻省理工、伯克利、 斯坦福等大学和美国电话电报公司( a t & t ) 及国家科学基金会( n s f ) 的1 5 名科学家向美国政府提出了“小机器、大机遇、关于新兴领域一一微动力学( 微 系统) ”的建议书，n s f 又于1 9 8 9 年召开了研讨会，其中有报告提出了“微电 子技术应用于电机系统”。自此m e m s 一词就澌渐成为一个世界性的学术用语， m e m s 技术的研究开发也日益成为国际上的一个热点。m e m s 具有以下几个非 约束性的特征： ( 1 ) 尺寸在毫米到微米范围内，区别于一般宏( m a c r o ) ，即传统的尺寸大 于1 c m 尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次： ( 2 ) 基于( 但不限于) 硅微加工( s i l i c o n m i c r o f a b r i c a t i o n ) 技术制造； ( 3 ) 与微电子芯片类同，在无尘室大批量、低成本生产，使性能价格比比 传统“机械”制造技术大幅度提高； ( 4 ) m e m s 中的“机械”不限于狭义的力学中的机械。它代表一切具有 能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、光、磁，乃至化学、生物等效应； ( 5 ) m e m s 的目标是“微机械”与i c 结合的微系统，并向智能化方向发 展【1 1 。 用以上特征来衡量，用微电子技术( 不限于) 制造的微小机构、器件、部 件和系统等都属于m e m s 范围，微机械和微系统只说明m e m s 发展的不同层 次，而有关的科学技术都可统称为m e m s 技术。 当前，信息技术已经走上多媒体、网络化和智能化的道路，微电子信息处 理已向系统级芯片集成发展。无论从微型化或性能价格比的发展看，信息获取 ( 传感) 技术和信息执行技术，即所谓的“外部设备”技术都已成为发展的瓶 颈，它们与“主机”的接口( i n t e r f a c e ) 也成为阻碍处理速度的关键。m e m s 技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使之成为真正的 信息处理系统，因此它对信息技术的革命意义是不言而喻的。对于传统的“机 械学”来说，m e m s 技术不仅为之打开了“微尺寸”新领域的大门，也是真正 实现机电一体化的开始。所以，m e m s 被认为是微电子技术的又一次革命，对 2 l 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响。 黜主l 杰 西北工业大学硕士论文 本章就微机电系统( m e m s ) 的定义、m e m s 的研究现状和发展趋势做一 介绍。 1 2m e m s 的定义 m e m s 即微机电系统目前尚无统一的定义。但一般认为：微机电系统是指 集微型结构、微型传感器、微型执行器以及相应的信号处理控制电路、直至接 口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统。它将感受到的运动、光、声、电 等物理信号通过传感器转换为电信号，经过信号处理后，发出指令，由执行器 完成所需的操作。有时根据不同的场合或习惯，微机电系统也称为微机械、微 构造或者是微电子机械系统。一般来讲，微机械多指构造比较简单、能动作的 微构造，它是构成微机电系统的要素技术，而微机电系统指由微机械和控制电 路组成的微系统，它是微机械的高级形式和发展方向。 微机械在美国通常被称为微型机电系统m e m s 。顾名思义，m e m s 是由微 机械和微电子线路组成的微系统。日本称之为微型机械( m i c r o m a c h i n e ) ，欧洲 称之为微型系统( m i c r o s y s t e m ) 。它们都以微小( m i c r o ) 为特征，有的强调机 械，有的强调系统，但当前人们不加区分地统称为m e m s 。 1 3m e m s 的研究发展状况 1 3 1 国外m e m s 技术的研究现状 一、微机电系统相关基础理论研究 m e m s 开辟了一个新的技术领域。它的研究不仅涉及元件和系统的设计、 材料、制造、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面，还涉及 微电子学、微机构学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、 材料学、物理学、化学、生物学等基础理论。 力的微尺寸效应和表面效应说明，在宏观领域内影响较小的力和现象，在 微观领域则有可能起重要作用。在微小尺度领域，与特征尺寸三的高次方成比 例的惯性力( f ) 、电磁力( p ) 等的作用相对减小，而与尺寸工的低次方成 比例的静电力( r ) 粘性力( r ) 、弹性力( r ) 、表面张力( r ) 等的作用相 对增大。由于静电引力影响相对变大，而惯性力、重力影响相对变小，甚至可 以不再考虑质量对运动的影响，从而可极大地简化微机械的力分析和运动的控 制系统，且使微机械从惯性力和重力的支配下解脱出来。而作为传统机械润滑 用的气体和润滑油，其粘性的影响却变得很大，犹如粘胶一般。随着尺寸的减 小，表面积( 上2 ) 与体积( f ) 之比相对增大，因而热传导、化学反应等加速， 表面间的摩擦阻力显著增大。 国曼女j 生! 西北工业大学硕士论文 微机电系统建模也是m e m s 理论研究的重要组成部分，此时所需考虑的因 素较多也较复杂。除通过实验手段建模( 如微电机和微泵) 外，m e m s 的建模 和仿真需要采用有限元方法，如利用有限元和静电边界条件分析在静电作用下 机械结构的运动特性；利用有限元进行微激磁器的磁场分析；微悬臂阀在流体 中的静动态特性及流体特性分析：非理想状态( 如：有应力、弯曲、过腐蚀、 对准不佳等) 的谐振器谐振频率分析以及m e m s 的c a d 等等。在美国，已开 始研制和使用m e m s 设计仿真软件 2 1 。 二、微制造技术研究 m e m s 常要求高深宽比的三维微细结构加工。除从硅平面工艺发展了体硅 工艺外，8 0 年代中后期在l i g a 加工、准l i g a 加工、小机械加工、微细电火 花加工、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束a n n - 、电子束加工和 快速成形等高深宽比三维微细加工方面也取得了进展。 l i g a 技术是x 射线深层光刻、微电铸和微塑铸3 个工艺的组合。l i o a 技 术可制造各种形状的微结构，结构高度可超过l m m ，线宽尺寸可小到0 2 p m ， 微结构深宽比可达5 0 5 0 0 ，表面粗糙度可达3 0 n m 。工艺适用的材料包括聚合物、 金属、合金、陶瓷等。l i g a 工艺虽然是一种制作三维微细结构的理想途径， 但它需要昂贵的同步x 射线源。近几年，在保持微米级分辨率的前提下，通过 把常规的近紫外光刻扩展应用到厚抗蚀层( 1 5 8 0 # n ) 的光刻成形，然后电铸 出三维金属结构，这就是准l i g a 工艺。目前，正在开发高能紫外线光源和深 层紫外线光刻胶，以期进一步扩大其应用范围。 小机械加工可以批量制作模数仅为o 0 2 左右的齿轮等微机械元件，以及其 他工艺方法无法制造的复杂微结构器件。 准分子激光器的短波长辐射使非常小尺度的精确成像成为可能，而这正是 微制造所要求的。准分子深度紫外光光刻，可用于制造分辨率接近o 2 c o n 的集 成电路。德国美茵兹微技术研究所( i m m ) 将准分子激光烧蚀与l i g a 技术结 合的新加工工艺，用于准分子激光加工电镀模片初始三维结构的第一道工序。 微细e d m 利用微小工具电极与工件间的微量放电进行微细加工，这种方 法能加工极硬的金属甚至半导体材料。与传统的e d m 相比，其技术关键是微 小工具电极的制作和微量放电的控制。日本东京大学生产技术部开发了在线放 电磨削( w e d g ) 技术和特种放电电路，商品化的微细电火花加工机床可以加 工出5p r n 左右的细轴和微孔，还对微细电火花加工、装配和测试的一体化进行 了研究。 此外，还有人对光固化成形等快速成型工艺能否用于微结构制作进行试探 等等。体微机械加工、表面微机械加工和金属微机械加工等技术都是微机械加 工技术的重要构成部分，至今它们都己显示了各自的生命力。各种加工技术各 有其优缺点，都在进一步开发之中。今后微机械加工技术发展的趋势是： ( 1 ) 保持与硅集成电路的紧密关系，充分利用硅材料，利用为集成电路开 受点三囊强 西北工业大学硕士论文 发的现有设备和技术，向着把信号检测电路和控制电路与微机械结构集成的方 向发展。 ( 2 ) 上述各种加工技术在其发展过程中发挥优势互补的作用，注意研究不 同工艺间的融合。只有这样，才能满足微机械制造技术和微机电系统进一步发 展的需要。 三、微型构件、微传感器和微执行器研究 1 9 9 0 年，德国k a r l s r u h e 研究中心微结构研究所制成世界上第一台微型涡 轮机，其转子直径为o 1 m m 。该研究所在微细加工工艺方面成功地创造了h g a 工艺，制造出大量至今用机械加工无法实现的微型机械器件，如加速度传感器、 微型涡轮机、微型泵等。 已经开发的m e m s 的产品是有竞争力的，其制造成本下降约一个数量级。 如微加速度传感器、微压力传感器、微继电器、微冲击传感器、微流量传感器 和微喷头等。日本丰田r & d 中心研制了汽车中应用的传感器，如发动机控制 用传感器、测力传感器等，并设想未来的传感器可以协助汽车从热带开到极区， 在智能椅上装有各种传感器，使驾驶人员感到既安全又舒适。 微型执行器主要有：微电机、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。把微 型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果，如：可用于物体的搬送、定位。 教型执行器的驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合 金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。微型电机是一种典型的微型执行器， 可分为旋转式和直线式两类。在m e m s 2 0 0 0 年会上，瑞士的l d e l l m a n n 等人 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机( e l a s t i cf o r c em o t o r ) ，e f m 的工作原理是定子产生垂直振动，然后由转子转换成转动。定子由z n o 压电层 在谐振频率下产子垂直运动，工作频率为2 0 k h z ，典型激励电压为4 v ，转子 弹性束将垂直运动转换成转动。与过去的定子相比，这种新型设计使模片振动 的第一种模式得到应用，从而提高了振动的机械幅度。 在2 1 世纪，m e m s 在医学与生物工程、信息处理与通讯、国防、航空航 天、航海、工业、农业和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。 四、微操作系统研究 微操作系统由微能源、微驱动器、微执行器、微传感器、微控制器等组成。 在某些情况下，传感器和执行器可能是微小的，而其余部分是宏观的，通过宏 观接口把系统连接在一起，去实现预定的功能。 美国在微操作系统的研究开发方面取得了显著的进展，他们利用a f m ( 原 子力显微镜) 和高精度反馈技术，成功地感知了超光滑表面原子级尺寸的凹凸 不平，同时还实现了原子迁移，展示了惊人的成就。近年来，工业用低成本、 低功率微型器件( 从简单的温度计、压力传感器到内胎加速度计) 的成熟技术 水平已为开发研究军民两用m e m s 器件奠定了基础。美国陆军航空兵和导弹部 队司令部( a m c o m ) 早期从事的m e m s 技术开发着重于惯性m e m s 传感器， 4 醚三虫垡 西北工业大学硕士论文 但最近启动了一项新的陆军( 联合) 科学和技术目标( s t o ) 研究项目，目的 是研究开发具有中等角频率传感器分辨率且低成本的惯性组件，用于测量导弹 姿态的偏航角和旋转滚动速度。这项举措极大的影响了美国国防先进研究计 划署( d a r p a ) 和其他政府部门，使其致力于研究开发坚固耐用的实验性惯性 m e m s 器件。此外，m e m s 封装和集成也成为人们关注的焦点。 日本东京大学研制的纳米机器人是在电子显微镜下工作的系统。纳米机器 人由右腕、左腕和基座三部分组成。右腕由压电元件驱动三轴，左腕由粗动和 压电元件驱动三轴，基座有二轴机构。其使用金刚石刀或用电解的钨针作为工 具。该纳米机器人己做过l s i 表面的铝配线切断实验。日本岛津制作所研制的 生物细胞微操作器，具有2 套三轴粗动、微动的作业腕。粗动作业腕由步迸电 机驱动，微动作业腕由音圈电机驱动。名古屋大学研制在血管中操作的有源导 管，利用3 个s m a ( 形状记忆合金) 细丝来控制前端的导向。川口大学研制有 力反馈的小尺寸蛇管形主从微操作手。滋贺医科大学研制眼科手术用微机械 “g e n g e r o ”等。 英国的3 m 计划提出研制分子测量，它可揭示诸如d n a 、有机高分子和超 大分子之谜。 瑞典u p p s a l a 大学研制的微机器人也是在电子显微镜下工作的。该机器人 有两个作业腕，分别有4 个和3 个自由度。其工具为针状的镊子。利用该机器 人已进行了切割2 0 0 l m 硅片、硅片熔接、制作硅单晶微型针等工作。 日本在微机械大型研究计划中，制定了微管道机器人的研究工作。尽管上 述诸系统有些尚不甚完善，但从中还是可以看到其发展的大致趋势。 1 3 2 国内m e m s 技术的研究现状 我国开展m e m s 研究始于2 0 世纪8 0 年代末，1 0 多年来研究队伍迅速发 展和扩大，在新原理微器件、通用微器件、新的工艺和测试技术以及初步应用 等方面取得了显著的进展。 1 9 9 5 年国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目”( 1 9 9 5 1 9 9 9 年) 。1 9 9 9 年“集成微光机电系统研究”项目通过了国家重点基础研究发展规 划的立项建议。我国已开展了包括微型直升飞机、力平衡加速度传感器、力平 衡真空传感器、微泵、微喷嘴、微电机、微电泳芯片、微流量计、硅电容式麦 克风、分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、微谐振器和微陀螺等许多微机械 器件的研究和开发工作。研究出的硅电容式微麦克风是目前国际同类研究中灵 敏度最高的：在国际上首次研制出包括片上转速检测电路的集成硅微静电电机； 分裂漏磁场传感器、集成压力传感器、硅微静电电机工艺已取得三项美国专利 【4 。 一、我国m e m s 的近期应用市场 删懋 西北工业大学硕士论文 1 、导航和控制： 2 、汽车电子； 3 、生化分析和医学； 4 、微小卫星和微小飞行器； 5 、工业检测和微小机器人； 6 、高密度存储。 二、国内m e m s 研制概况 白1 9 8 9 以来，国家自然科学基金委员会、国家科技部、中国科学院、国家 教育部、总装备部和地方立了1 0 余项与m e m s 相关的重点和重大课题以及若 干面上课题，总投资约1 亿元人民币。 目前，有国防科工委、教育部、中国科学院、电子工业部所属4 0 多个单位 在开展m e m s 研究工作。如大连理工大学和中国科学院长春光学精密机械研究 所、清华大学、上海冶金所、香港理工大学、北京大学、上海交通大学、重庆 大学、上海大学、中国科技大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、石家 庄1 3 所、中国科学院电子所、中国科学院半导体所、哈尔滨4 9 所、南开大学、 东南大学、复旦大学、西安交通大学、西北工业大学、航空6 1 8 所、哈尔滨工 业大学、广东工业大学、南京航空航天大学、北京航空航天大学、厦门大学、 浙江大学、华中理工大学、华北工学院、中国科学院高能物理研究所、中国科 学院力学所、中国科学院物理所、成都2 3 所、沈阳仪器仪表研究所、华东师范 大学等。并且都有不同程度的进展，而微光机电系统( m o e m s ) 的研究还很 脆弱。 图1 - 1 中国m e m s 研发单位的部门分布 清华大学精仪系以飞行体加速度测量和汽车安全气囊控制中加速度测试为 背景，研制出了一种集成微型自适应加速度测试仪，它主要由加速度计及专门 研制的自适应数据编码控制系统控制器a s i c - - t h 9 6 0 1 、a d c 、s r a m 等组成。 这种系统具有自检功能并带有与微机的接口电路，该测试仪已在加速度试验演 示系统中得到成功地应用。 正在开展的应用研究有：上海交通大学的微型电磁电机在直肠内窥镜的应 用；清华大学的小型泵和医用缓慢微量注射器；广东工业大学的压电致动器用 作直线和旋转驱动器。用于发动机活塞加工、超精密加工和微机器人以及其他 6 曼点j 杰! 西北工业大学硕士论文 一些军事应用。西安电子科技大学的电容式微型硅加速度传感器的研究；电科 集团5 5 所的射频m e m s 压控电容器的研究：上海冶金所对于红外热堆探测器 的研究；西北工业大学对微型陀螺( 图1 2 ) 以及射频m e m s 开关的研究。 圈1 - 2 西北工业大学研制的微型陀螺 在向产业化推进方面，国内正在出现一些喜人的局面，丁衡高院士给李岚 清副总理写信，建议国家对m e m s 技术进行重点研究。国家科技部根据李岚清 副总理的指示精神，组织了国家m e m s 战略专家组，开始了为期1 年的m e m s 战略研究。国家准备在“十五”期间启动“8 6 3 ”计划m e m s 重大专项。 山西科泰微技术有限公司，是专业从事m e m s 产品产业化的公司，是国家 “8 6 3 计划”m e m s 惯性传感器及测量系统产业化的业主单位。该公司拥有硅 微机械加速度传感器、动态参数记录仪两项具有自主知识产权的核心技术，该 产品已成功应用于“神舟”号宇宙飞船逃逸系统( 9 2 1 工程) 、汽车防撞气囊试 验、人体运动信号检测、道路桥梁监测以及地震检测等。该公司正在投资6 0 0 0 万元，与华北工学院共同建设研发，生产基地，力争在3 年内建成中国m e m s 产业化基地。 北京青鸟元芯微系统科技有限责任公司是一家采用m e m s 技术批量生产 微型传感器的企业，该公司以“北京大学微电子研究院和微米纳米加工技术国 家级重点实验室”为技术依托，专门从事各种微型传感器的研发与生产。现已 能批量生产系列化微型湿度传感器模块、扩散硅压力传感器、化学气体传感器 以及加速度传感器。公司具有国内先进的m e m s 生产设备，传感器月生产能力 达1 0 万只，产品的测试环境居国内先进水平。 长春光机所、电科集团4 9 所、4 7 所、大连理工大学、哈尔滨工业大学、 黑龙江大学、沈阳工业大学、沈阳仪器仪表研究所等科研单位于2 0 0 1 年年底共 同发起，成立了东北微机电系统( m e m s ) 研发联合体，旨在为东北地区提供 一个m e m s 研发与协作的共同体，为推进东北地区m e m s 技术和产业的发展 作出积极的贡献。 三、国内的基础理论研究工作 在基础理论方面，开展了微运动学、微动力学、微摩擦学、微静力学、微 管道流体力学、微传热学、换能理论和仿真等研究。在材料方面，开展了微结 构机械特性、形状记忆含金和压电材料的应用、薄膜材料的制各和特性等研究。 在工艺方面，开展了表面硅和体硅工艺、l i g a 工艺、准l i g a 工艺、激光l i g a 要点主! 土! 匿北工业丈学硕士论文 工艺、小机械加工工艺、放电加工工艺、化学三维成型工艺等研究。 在元器件方面，开展了微齿轮、微弹簧、微针、微夹钳、静电微电机、压 电微电机、电磁微电机、微泵、微阀门、微管道、微流量传感器、微压力传感 器、微加速度传感器、徽温度传感器、微气敏传感器、微生物传感器、微光电 传感器、光纤传感器、微谐振器、微齿轮行星减速器、微光栅及微光学器件等 研究。 在测试方面，开展了微机械运动参数测试仪、微静力矩测试仪、非接触式 微扭矩测试仪、微摩擦实验台、微型干涉仪、显微立体成像系统等研究。在微 系统方面，开展了微装配装置、生物细胞转基因微操作系统、微型光谱仪、基 因芯片、微电泳芯片及细小管道微机器人等研究工作。 今后，我国将通过执行高技术发展规划( “八六三”) 推动m e m s 向实用化、 产业化方向迈进。 1 4m e m s 的应用及发展趋势 微机电系统通常是由若干个灵巧的、具有独立性的单元组成，通过微电子 控制协同配合实现使用功能。因此，微型化、智能化、集成化以及高度的信息 化等特点说明了微机电系统在技术上的先进性和发展潜力。它是现代科技发展 的产物。对人类未来生活将起着重要影晌1 5 j 。 总体上讲，微机电系统表现了高性能低损耗的技术方向。由于微型化降低 了装置的体积、质量和材料损耗；采用硅材料和微电子制造技术，可以大批量 生产，同时，减少采用贵重金属或稀缺材料，从而降低生产成本：通常微系统 使用寿命长，不含有对生态环境有害的材料，而且废弃后处理容易，因而大幅 度降低对环境的污染。同时，微机电系统充分利用现代信息技术，而信息本身 又具有无质量和无尺寸的特点，微系统最适合对信息的收集、处理、传输、显 示和存储，可以进一步提高信息检测质量和存储密度，是未来信息技术不可缺 少的手段。 应当指出，就微机电系统研究现状而论，除微传感器和微加速度计达到实 用化和批量生产之外，其余的尚处于研制阶段。此外，由于微执行器的输出力 很小，而且器件封装困难，目前微系统的应用目标主要限于操纵微小物体，如 微镜、微阀、探针、细胞等；同时还要求应用环境的物理干扰小，并尽量减小 能量损耗。 由于微机电系统对未来人类社会发展所具有的潜在作用。因而受到世界各 国政府和科技部门的高度重视。积极投入开发研究，已经取得可喜的成果，并 提出了许多未来可望应用的领域。来来的应用前景包括以下几方面： l 、惯性检测和控制基于惯性检测的加速度计已成为继压力传感器之后商 品化生产的微器件。这是由于加速度计是通过检测质量产生的非接触的惯性力， 8 国童! l 蔓芝 西北工业大学硕士论文 而输出又是电信号，因而整个系统可以封装，不受环境条件干扰。同时，加速 度计有着广泛的应用领域。1 9 9 4 年开发的力平衡加速度计，其微机械结构由多 晶硅制造的微弹性粱和质量块组成，采用电容传感器测量振动质量块的位置， 控制电路连接传感器和静电执行器。执行器对质量块施加平衡力，根据平衡力 确定加速度数值。力平衡加速度计已开始应用于汽车安全气囊释放控制，其运 行范围为5 0 9 ，供应电压5 v ，整个微系统制造在3 r a m 3 m m 的硅片上。惯性 检测另一个重要领域是微陀螺仪研究，它广泛应用于移动机器人、车辆、舰艇 等的牵引和运动稳定性控制。 2 、生物医学与物理化学研究微机电系统在生物医学中的应用是最具吸引 力的研究领域。生物学和生物化学研究中，对于细胞或生物分子的操纵和合成 都必须依赖微机电系统来实现。通常缅胞的尺度在i 1 0 a n 范围，而生物大分 子厚度在纳米、长度在微米量级。微系统可以抓取和操纵它们，考察单个分子 在生物体内或与其它分子之间的行为和作用。实现抓取分子是相当困难的技术 关键，目前所用的方法是依靠控制电场、激光束或者利用化学亲合力等的作用。 也有报道利用扫描探针显微镜直接操纵原子分子观察它们的物理化学行为。 通过这些研究，人类有可能实现所谓“原子工艺”( a t o m c r a f t ) 人为地创造出新 的物质。迄今，人们已研制成功微泵、微阀、微涡轮机以及微流体输运和控制 装置。它们可应用于气( 液) 相色谱微量分析、微化学反应器，以及在医学方 面，用来进行血液分析和体内药物输送。 在医学治疗过程中，观察、检测与分析、施药和手术是几个基本的环节。 随着科技的发展，m e m s 技术在医学方面发挥着越来越大的作用，下面就医疗 中的这三个环节具体阐述如下【6 】： ( 1 ) m e m s 在内窥镜系统中的应用医用 内窥镜及其配套设备是当前应用非常广泛的医疗仪器，医生可以通过它深 入到手不可触及的地方直接对胃肠、腹腔、生殖道、脊椎、关节、颅腔观察和 进行手术。现在的光导纤维内窥镜朝细小化及附带各种传感器的方向发展：电 子视频内窥镜采用了更微小的c c d 并实现实时高速处理功能，超声内窥镜向 探头细径化和多扫描方式发展。内窥镜传统的插入方法会给病人造成巨大的痛 苦和内部组织损伤，为解决其插入方式的不足，运用微机电系统可以实现自动 引入。日本东北大学正在研究一种用形状记忆合金( s m a ) 作为驱动器的自主 式医用内窥镜：上海交通大学在国家八六三学术基金资助下对新型自动插入式 内窥镜系统进行研究，并研制了全方向蠕动机器人驱动的内窥镜系统，该系统 的微小型驱动机器人能携带光学成像、体内照明装置，还可以通过c c d 器件与 外部计算枧通信，通过夕 部控制，自动进入人体完成观察和体内微细手术。另 外。上海交通大学还成功地利用l m m 电磁型微电动机对内窥镜视野进行扩大， 极大地提高了工作效能。 ( 2 ) m e m s 在医疗检测中的应用 9 戛生j ! 杰! 西北工业大学硕士论文 微传感器是研究最早的、应用最多的器件，主要有微压力传感器、加速度 传感器、振动传感器、生物化学传感器、湿度温度传感器、流量传感器等。这 些微传感器可以测量各种物理化学参数，因此，在医疗中有广泛的应用，如： 盐粒大小的血压计、微血液分析仪等。第一个实用化的也是技术上较为成熟的 m e m s 器件是硅微压力传感器；其中贴片式压力传感器可刺激低级神经，刺激 肌肉收缩实现人体器官运动；生物传感器芯片被成功地应用在血液葡萄糖的分 析和免疫测定方面，如is t a t 公司制造的血液分析仪系统；在分析由于基因 缺陷而导致的遗传病方面如a f f y m e t r i x 公司研制的1 6 万种的基因探针非常成 功，并实现了商业化。在我国，清华大学设计的集成毛细管电泳芯片，可实现 对病毒、基因突变等病理进行检测，随着传感器的微型化，其在医疗上的用途 会越来越多。 ( 3 ) m e m s 在医疗手术与给药中的应用 当今医疗越来越注意微创和无创手术，介入治疗技术不断发展( 心脑血管 疾病中缓慢心律失常，多用介入性疗法，即置入埋藏型起搏器来调整心律) 。1 9 9 6 年，美国哈佛大学研制成的超微机器人尺寸可达到亚微米级，能注入或吞入体 内疏通消化道和血管，并可以清除毒物、病变细胞及其他垃圾。在医用微机器 人方面，美国已开发出用于眼球视网膜显微手术的六自由度微操作机械手样机： 日本研制出用于细胞操作的双指微操作手样机，在细胞手术中通过控制微推进 器把一种直径为1 , u m 的生理微电极送入神经组织内来治疗帕金森病和癫痫， 精神分裂症等。另外，微型泵和阀可置入人体内，按规定定时定量给出类似胰 岛素那样的药物，以满足特殊疾病的治疗。我国的清华大学研制出一种给药微 型喷雾器，通过在某谐振频率的电信号驱动压电换能器产生弯曲振动，迫使腔 内液体药物从微系统中以细小颗粒被喷出，直接作用于病区给药治疗。美国斯 坦福大学把所研制的微型温度传感器注射到肿瘤中，用局部加热达4 34 c 来杀死 癌细胞：该校另一产品更令人瞠目，用直径为1 0 0 b e n 的蛇形冷却管制成的微型 冷冻器能在几秒钟内从室温冷冻到1 9 6 ( 2 的低温，在生物医疗中运用前景更佳。 3 、精密定位与微位置控制微位置控制的典型实例是磁头在磁盘上的精密 定位。随着信息技术迅猛发展，磁存储密度逐年提高。当今磁道密度达到 5 0 0 0 t p i ，下步目标是2 5 0 0 0 t p i ，此时相对应的磁道的间距为1 朋，而位置 精度应小于0 1 , a n 。预计5 年以后计划达到1 0 0 0 0 0 t p i ，则间距为0 2 5 t m ，位 置精度小于o 0 2 5 a n 。显然。这样高的位置精度现存技术难以实现，必须依靠 微执行器进行第二级控制。执行器通过控制电路根据偏离误差调制。在现阶段 由于微执行嚣的输出力很小，所以用于精密定位被操纵的对象只能是轻而微小 的物体，除磁头外，更加广泛的应用是控制打印头和各种微观精密仪器的探针， 包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的探针。 4 、光信号处理和显示数字式微镜光显示装置是微机电系统应用的重大突 破。由于光信号是非接触的而且不具有质量的信息，特别适用于采用微系统来 1 0 曼点j l 巷 西北工业大学硕士论文 处理，在微光开关、光通讯高速调制器、光纤操纵、光记录等方面都可望得到 应用。 5 、磁信号处理和传输磁信号也是非接触的、无质量的信号。将以磁信号 工作的微机械结构与控制电路封装后，可以与外界通过磁信号交流和传输，从 而产生机械动作。现今已经研制出多种形式的电磁执行器，典型的磁信号输出 的微系统是磁打印头。 根据m e m s 发展的现状，人们对今后m e m s 技术的发展进行了大量的预 测。大多数专家认为，m e m s 技术在今后的主要发展趋势如下【_ 日： 1 、研究方向多样化m e m s 技术涉及的领域主要包括惯性器件如加速度 计与陀螺、a f m ( 原子力显微镜) 、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀 门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性 能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、 麦克风以及声学器件等十六个发展方向。内容涉及军事、民用等各个应用领域。 2 、加工工艺多样化如：传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工 艺、深槽刻蚀与键合工艺相结合、s c r e a m 工艺、l i g a 加工工艺、厚胶与电 镀相结合的金属牺牲层工艺、m a m o s ( 金属空气m o s f e t ) 工艺、体硅工艺 与表面牺牲层工艺相结合等。而具体的加工手段更是多种多样。 3 、系统单片继承化由于一般传感器的输出信号( 电流或电压) 很弱，若 将它连接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会彻底掩盖有用的信号。因 此采用灵敏元件外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器。只有把 两者集成到同一块芯片上，才能具有最好的性能。 4 、m e m s 器件芯片制造与封装统一考虑：m e m s 器件与集成电路芯片的 主要不同在于，m e m s 器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利 于运输。所以m e m s 器件芯片制造与封装应统一考虑。封装技术是m e m s 的 一个重要研究领域。 5 、普通商业应用低性能m e m s 器件与高性能特殊用途如航空、航天、 军事用m e m s 器件并存。例如加速度计的制造，既有大量的只要求精度为o 5 9 以上，可广泛应用于汽车安全气囊等的具有很高经济价值的加速度计；也有要 求精度在1 0 1 9 的，可应用于航空航天等高科技领域的加速度计。对于陀螺，也 是有些情况要求其精度为0 1 d , 时，有的则只要求1 0 0 0 0 l d 、时。 西北工业大学硕士论文 第二章静电电动机及其研究发展状况 2 1 引言 当前我国以及世界许多国家正在积极推进微机电系统( m e m s ) 的研究和 开发。无论是微机电系统的加工、制作和装配所必需的工具、装置，还是应用 在各个领域的微机器人、微机械手等微机电系统本身，对微小物体的操作是其 最重要的任务之一。能否灵活、精确、多方位地操作微小物体是评价微机电系 统或微操作装置优劣的重要性能指标。因此作为动力元件的微型执行器是其中 最为核心的部件，也一直是微机械领域研究的焦点之。其中，在