微机电系统的应用与发展

微机电系统的应用与发展

1mems的基本原理微型技术的成功在许多领域引发了一种微化革命。在此基础上，纳米纳米技术和系统（微型纳米技术）的生产发生了变化。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(Micro-Electro-MechanicalSystems,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。Analog公司已研制成集成微加速度传感器和处理电路的芯片。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。例如尖端直径为5μm的微型镊子可以夹起一个红细胞,3mm大小的能够开动的小汽车,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。预计到2000年,全世界MEMS的市场将达到120～140亿美元,而与之相关的市场将达到1000亿美元。图2给出了硅微机械电子系统市场的增长情况及其预测。2mems器件的研究MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究课题,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。MEMS技术的研究课题主要有以下几部分:(1)理论基础:随着MEMS尺寸的缩小,有些宏观的特性发生了改变,很多原来的宏观理论都会发生变化,如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等等,因此需要研究微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学、微结构学等。(2)技术基础:为了制作各种MEMS系统需要开发、研究许多新的设计、工艺加工(高深宽比多层微结构)、微装配工艺、微系统测量等技术。(3)应用研究:人们不仅要开发制造MEMS的各种技术,更重要的是如何将制成的MEMS器件用于实际系统中,并从中受益。目前可以预见的应用领域包括汽车、航空航天、信息通讯、生物化学、医疗、自动控制、消费品及国防等。3mems器件中的功能分区微机电系统将微电子技术和精密机械加工技术融合在一起,实现了微电子与机械融为一体的系统。目前,MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域,而它与不同的技术结合,往往便会产生一种新型的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[5～7]:(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,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,是一种基于真空电子输运器件的新技术,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。由于电子输运在真空中进行,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器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、功能强大、可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点,因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、减震系统、防盗系统、稳定控制和玩具;微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护;MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等。4微机械liga技术目前,常用的制作MEMS器件的技术主要有三种[8～10]。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(塑铸)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,并适合于批量生产,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,可以得到高深宽比的精细结构,其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。利用LIGA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。下面主要介绍LIGA和以硅为基础的MEMS技术。4.1微图形的制作LIGA技术是采用深度X射线光刻、微电铸成型和塑料铸模等技术相结合的一种综合性加工技术,它是进行非硅材料三维立体微细加工的首选工艺。LIGA技术制作各种微图形的过程主要由两步关键工艺组成,即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形,然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具,再利用微塑铸制备微结构。LIGA技术补偿了表面微机械技术的不足,为MEMS技术提供了一种新的加工手段。利用LIGA技术可以制造出由各种金属、塑料和陶瓷零件组成的三维微机电系统,并且得到的器件结构具有深宽比大、结构精细、侧壁陡峭、表面光滑等特点,这些都是其它微加工工艺很难达到的。4.2微机械结构的检测方法主要分为3种以硅为基础的微机械加工工艺也分为多种,传统上往往将其归纳为两大类,即体硅加工(bulkmicromachning)工艺和表面硅加工(surfacemicromachinig)工艺。由于当前硅微机械加工工艺的飞速发展,不断有新的工艺方法出现,许多工艺方法可以同时用于体加工和平面加工,有些方法则兼具体加工和表面加工两者的特点,很难给予确切分类,因此我们不采用这种分类方法。在以硅为基础的MEMS加工技术中,最关键的加工工艺主要包括高深宽比的各向异性腐蚀技术、键合技术和表面牺牲层技术等。各向异性腐蚀技术:各向异性腐蚀技术是体微机械加工的关键技术。湿法化学腐蚀是最早用于微机械结构制造的加工方法。常用的进行硅各向异性腐蚀的腐蚀液主要有EPW和KOH等。湿法化学腐蚀得到的微机械结构的厚度可以达到整个硅片的厚度,具有较高的机械是灵敏度,但该方法与集成电路工艺不兼容,难以与集成电路进行集成,且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺寸较大等缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点,采用干法等离子体刻蚀技术已经成为微机械加工技术的主流。随着集成电路工艺的发展,干法刻蚀高深宽比的硅槽已不再是难题。例如采用ICP(感应耦合等离子体)、高密度等离子体刻蚀设备等都可以得到比较理想的高深宽比的硅槽。键合技术:键合是指不利用任何粘合剂,只是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地结合起来的方法。键合虽然不是微机械结构加工的直接手段,却在微机械加工中有着重要的地位。它往往与其它手段结合使用,既可以对微结构进行支撑和保护,又可以实现机械结构之间或机械结构与集成电路之间的电学连接。在MEMS工艺中,最常用的是硅/硅直接键合和硅/玻璃静电键合技术,最近又发展了多种新的键合技术,如硅化物键合、有机物键合等。表面牺牲层技术:牺牲层工艺是表面微机械技术的主要工艺,其基本思路为:首先在衬底上淀积牺牲层材料,并利用光刻,刻蚀形成一定的图形,然后淀积作为机械结构的材料并光刻出所需要的图形,最后再将支撑结构层的牺牲层材料腐蚀掉。这样就形成了悬浮的可动的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、单晶硅、氮化硅、氧化硅和金属等,常用的牺牲层材料主要有氧化硅、多晶硅、光刻胶等。5mems器件未来发展的展望作为本文的小结,将大多数专家预测的MEMS技术在今后的主要发展趋势综合如下:(1)研究方向多样化:从历次大型MEMS国际会议(Transducer和MEMSWorkshop)的论文来看,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16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,美国ADI公司生产的集成式加速度计就是将敏感器件与集成电路集成在同一芯片上的。图3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,