微机械发展史

微机械发展史微电子机械系统(MicroElectro-Mecba6icalSystem,MEMS),简称微机械，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早在六十年代，随着微电子技术的产生和发展，一些富有创见的科学家便开始探索用硅微加工的方法制作传感器、执行器和控制器，并设想将它们集成在一个微小的几何空间内，从而形成高度自动化、智能化，可以大批生产，价格低廉的微电子机械系统。但在这个阶段，尚不具备成熟的用于制作微机械结构和器件的加工技术。微机械仅仅是一种概念或设计思想。八十年代，大规模集成电路技术己经成熟，人们用IC工艺成功地制作出了微机械压力传感器以及微铰链、微连杆、微齿轮等等一系列微机械零部件。微机械是在八十年代后期崛起的一门新兴的前沿学科。微机械最早可追溯到19世纪。19世纪，作为照相制版技术诞生了光制造技术。20世纪60年代，美国相继开发出了结品异方向腐蚀、杂质浓度依存性腐蚀、阳极键合等基本微加工技术。进入70年代，美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想。70年代到80年代硅传感器随着半导体加工技术进步也有很大发展，利用微加工技术(micromachining)制造出多种微小尺寸的机械零部件。1988年，美国加州大学Berkeley分校Muller研究小组发表了转子直径为60〜100的硅静电马达，它的报道在当时引起了很大的轰动。自此，MEMS一词渐渐成为一个世界性的学术用语，MEMS技术的研究开发也日益成为国际上的一个热点。随着微/纳米科学与技术(Micro/NanoscienceandTechnology)的发展，以形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械(也称微型机电系统)在美国常称为微型电子机械系统MEMS(MicroElectroMechanicalSystem)；在日本被称作微机器(Micromachine)；而在欧洲则被称作微系统(Microsystem)。按外形尺寸特征，微机械可分为1—10mm的微小型机械，1um-1mm的微机械，以及lnm—lum的纳米机械。微电子技术是微米科技发展水平的一个重要体现，与之有关的基础理论、基础材料、器件物理和工艺原理等多方面的新突破促进了微电子学及其相关产业的腾飞。从1947年晶体管的发明激起了微电子技术的一次革命，到1958年出现世界上第一块集成电路，集成电路已从集成度为个100元件的小规模集成电路发展到线宽为80um。芯片集成度为100万个元件以上的特大规模集成电路。目前，美国、日本等国家在实验条件下的刻线线宽已达0.1一0.2um加，预计在2000年前后将会得到0.18um4GbDRAM。80年代中期，我国研制成功了线宽为2.5um的64kb芯片。80年代末期，研制成功了线宽1um的1Mb芯片。AA早在1941年就出现了半导体传感器一光敏电阻，但直到70年代集成电路出现以后它才得到发展。品体管和集成电路的发明一方面促进了电子电路和结构型传感器的结合，另一方面使人们能够利用固态物性来制作传感器，从而导致了物性型传感器的出现，其中半导体传感器是最重要的一种。因为半导体材料（特别是硅）对力，热,磁等多种信号有敏感特性，而且可以利用开发集成电路的先进工艺技术，目前半导体传感器有立敏，光敏，磁敏，气敏，离子敏，生物敏等多种类型的产品。由于可以采用平面工艺，半导体传感器还具有微型化的潜力。经过不断地努力，人们研制出了多种微型传感器，部分还集成了简单的信号处理电路，同时也为微机械加工（MicroMachining）技术的出现奠定了基础。随着微机械加工技术的内容不断扩充，水平不断提高，微机械加工技术成为力敏传感器的关键技术，并扩展了应用范围。微机械加工技术的迅速发展导致了微执行器的诞生。人们在实践中认识到，硅材料不仅有优异的电学和光学性质。微机械加工技术的出现，使得制作硅微机械部件成为可能。在80年代初，一些有远见的科学家提出了微机械执行器的概念。1987年，加州大学伯克利分校的范龙生等人用表面微机械加工的方法制成了多晶硅齿轮，引起了国际学术界的震动。随后，汽车用微机械多路绝压传感器投入批量生产，从而表明MEMS技术作为一个重要的交叉学科出现了。微机械的特点。概括起来，微机械具有以下几个基本特点：（1）体积小，精度高，重量轻。⑵性能稳定，可定性高。（3）能耗低，灵敏性和工作效率高。（4）多功能和智能化。（5）适于大批量生产，制造成本低廉。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天、精密仪器、生物医疗等领域有着广阔的应用潜力，并成为纳米技术研究的重要手段，因而受到各国的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。1在航空航天方面的应用：微机械在飞行器的电子设备、飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用。现代的飞机和飞行器的结构更多的地采用复合材料，已成为发展趋势。尤其引人注目的是，在复合材料内分布嵌入微机电系统功能单元（微传感器+微执行器+微电子线路），便可得到期望的、程序可控的材料和结构组态。这些材料和结构被称为Smart材料和Smart结构。这种Smart结构具有自我监测和检测的功能，能连续地对结构的应力、振动、声、加速度、气动阻力及结构完好性等多种状态实施监测和检测。微机电系统对发展微小卫星起着重要的作用，它的应用使微小卫星质量降到10kg以下不久的将来，含有多种微传感器、微处理器、天线、微火箭及微控制等在内的集合体，将会用微米和纳米制造技术把它们制作在同一硅基片上，成为单片微小卫星。2在生物医学方面的应用：微传感器、微执行器及微系统在生物医学和工程方面的应用，对促进医疗器械的改善，加速疾病的预防、诊断及治疗都有重要作用。主要应用场合为：腔内压力监测、微型手术、生物芯片、细胞操作、仿生器件。3在信息科学方面的应用：信息本身没有质量和尺寸，但信息存储、交换、操作及传输过程中外接的微型化、低工耗的MEMS器件却是不可或缺的基础件，如计算机系统中的微机械存储器、激光扫描器、磁盘和磁头以及打印等。它们不仅具备信息交换和存储能力，同时也有助于改进信息的敏感度及显示的密度和品质。美国国会已把微机械的研究作为21世纪重点发展的学科之一，美国国家基金会也拨巨资开始了微机械的研究；日本通产省1991年开始启动一项为期10年耗资250亿日元的微机械研究计