MEMS将成为21世纪新技术增长点.doc

MEMS将成为21世纪新技术增长点MEMSThe New Growing Technology in the 21st Century北京大学微电子学研究所张 兴微电子技术的巨大成功在许多领域引发了一场微型化革命，以加工微米/纳米结构和系统为目的的微米/纳米技术(Micro/Nano Technology)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(MEMS)的诞生。MEMS将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分，图1给出了典型的MEMS系统与外部世界相互作用的示意图。作为输入信号的自然界各种信息首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理以后(模拟/数字)再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转化为另一种形式，从而将现实世界的信号(如热、运动等信号)转化为系统可以处理的信号(如电信号)。执行器根据信号处理电路发出的指令完成人们所需要的操作。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。MEMS技术开辟了一个全新的领域和产业。它们不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如尖端直径很小的微型镊子可以夹起一个红细胞，3mm大小的能够开动小汽车，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且正处在加速发展时期。MEMS技术的应用MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。而它与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS器件。正因为如此，MEMS器件的种类极为繁杂，几乎没有人可以列出所有的MEMS器件。根据目前的研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统内部包含的单元主要有以下几大类：(1) 微传感器：传感器种类很多，主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等等，每一类中又包含有很多种。例如机械类中又包括力学、力矩、加速度、速度、角速度(陀螺)、位置、流量传感器等，化学类中又包括气体成分、湿度、PH值和离子浓度传感器等。(2) 微执行器：主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等。(3) 微型构件：三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。(4) 微机械光学器件：即利用MEMS技术制作的光学元件及器件，由于利用MEMS技术可以很方便地制作驱动装置，因此制作可动的光学器件是自然而然的事。目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。(5) 真空微电子器件：它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，它是一种基于真空电子输运器件的新技术，它采用已有的微细加工工艺在芯片上制造集成化的微型真空电子管或真空集成电路。它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运是在真空中进行的，因此具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前研究较多的真空微电子器件主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。(6) 电力电子器件：主要包括利用MEMS技术制作的垂直导电型MOS(VMOS)器件、V型槽垂直导电型MOS(VVMOS)器件等各类高压大电流器件。MEMS加工工艺目前，常用的制作MEMS器件的技术主要有三种。第一种是以日本为代表的利用传统机械加工手段，即利用大机器制造小机器，再利用小机器制造微机器的方法；第二种是以美国为代表的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；第三种是以德国为代表的LIGA(LIGA是德文Lithograpie光刻、Galvanoformung电铸和Abformung铸塑三个词的缩写)技术，它是利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。其中第二种方法与传统IC工艺兼容，可以实现微机械和微电子的系统集成，而且该方法适合于批量生产，已经成为目前MEMS的主流技术。由于利用LIGA技术可以加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，而且利用该技术可以得到高深宽比的精细结构，它的加工深度可以达到几百微米，因此LIGA技术也是一种比较重要的MEMS加工技术。LIGA技术自八十年代中期由德国开发出来以后得到了迅速发展，利用该技术已经开发和制造出了微齿轮、微马达、微加速度计、微射流计等。第一种加工方法，则可以用于加工一些在特殊场合应用的微机械装置，如微型机器人、微型手术台等。MEMS技术发展的趋势根据MEMS发展的现状，人们对今后MEMS技术的发展进行了大量的预测。大多数专家认为，MEMS技术在今后的主要发展趋势如下：(1) 研究方向多样化：MEMS技术的研究日益多样化。MEMS技术涉及的领域主要包括惯性器件如加速度计与陀螺、AFM(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：加工工艺多种多样，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、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS(金属空气MOSFET)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) 系统单片集成化：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。只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。图2给出了美国DARPA预测的不同用途的MEMS器件中集成的晶体管和机械部件的数目。(4) MEMS器件芯片制造与封装统一考虑：MEMS器件与集成电路芯片的主要不同在于，MEMS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MEMS器件芯片制造与封装应统一考虑。封装技术是MEMS的一个重要研究领域。(5) 普通商业应用:低性能MEMS器件与高性能特殊用途如航空、航天、军事用MEMS器件并存：例如加速度计的制造，既有大量的只要求精度为0.5g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；也有要求精度为108g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/小时，有的则只要求10000 /小时。最小的军用无人机微型蝙蝠航空环境公司为美国国防预先研究计划局制造的微型蝙蝠改型微型无人机是用于评价鉴定小型扑翼推进力的。微型蝙蝠翼展只有23厘米，重14克。它的电动机由可充电锂电池供电。微型蝙蝠由无线电遥控方向舵、升降舵和推力飞行。 由微机电系统驱动类似蜻蜓的机翼。电容器一次充电产生的功率能够已经达到20秒航时，加州理工学院预测最终航时可达3分。微型蝙蝠可携带微型摄像机及其下行数据链路或声学传感器。加州理工学院根据美国国防预研计划局的倡议正在研制微型蝙蝠微型无人机用的微型机电系统。加州理工学院已经制造出钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成的机翼，同时还有包括电池、直流支流变流器、减速器和扑动传动机构在内的轻型动力传输系统。扑翼式微型无人机微型无人机在15厘米时螺旋桨还可产生需要的效率，但在7.62厘米以下就需要采用翅膀了。对于较小的微型机，扑翼可能是一种可行的办法，因为它可以利用不稳定气流的空气动力学，以及利用肌肉一样的驱动器代替电动机。加利福尼亚工学院与Aero Vironment公司等单位正在研制一种微型蝙蝠（Microbat）扑翼式无人机，目的是要了解扑翼方式是否比小型螺旋桨更有效，它的隐蔽性如何，是否可以像蜂鸟一样垂直飞行。微型蝙蝠的翼展为15厘米，重10克，具有像蜻蜓一样的MEMS驱动的翅膀，扑翼频率为20赫兹。该机可携带一台微型摄像机，上下行链路或音响传感器。在试飞中它无控制地飞行了18分钟，46米远，后因镍镉电池用完而坠地。1998年初，加利福尼亚大学开始研制一种扑翼式微型无人机，叫机器苍蝇。研制的目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能。计划到2004年底它能够飞行。军方对它的侦察能力很感兴趣，想利用它在城市环境中进行秘密监视及侦察。机器苍蝇有普通苍蝇大小，样子也像苍蝇。不过它有4只翅膀而不是两只，只有一个玻璃眼睛而不是两只球形眼睛。机器苍蝇重约43毫克，直径510毫米，与真苍蝇差不多，它的身体用像纸一样薄的不锈钢制成，翅膀用聚酯树脂做成。机器苍蝇由太阳能电池驱动，一个微型压电石英驱动器以每秒180次的频率扇动它的4只小翅膀。驱动器的质量大大小于一只绿头苍蝇的质量，但它比肌肉产生的能量密度大得多。为什么要研制机器苍蝇？因为它的体积小，隐蔽性好。为什么不研制好看一些的蜻蜓呢？因为蜻蜓有4只翅膀，使它的复杂性增加了一倍。更重要的是苍蝇是出色的飞行员，它可以由任何方向上起飞及降落，甚至头朝下起飞。它可以在百分之3秒内改变方向。它的信号处理速度令超级计算机望尘莫及。由于苍蝇飞行的复杂性，使机器苍蝇需要用4只翅膀代替两只翅膀。可能使用的技术有直径1毫米的微型陀螺仪，以及正在研制中的“灵巧灰尘”，即在一片微小的硅片灰尘中集成有传感器、通信装置及计算机电源。微型无人机在军事上有广泛的用途，它可进行侦察，生化战剂的探测，目标指示，通信中继，武器的发射，甚至可以对大型建