MEMS技術(shù)概述

MEMS成為當今世界的研究熱點，各國的科技工作人員將其作為一個獨立的邊緣學科站展開國際范圍內(nèi)的學術(shù)與工程研究。

MEMS的定義微機電系統(tǒng) 是集多個微機構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號處理、控制電路、通信接口及電源于一體的微型電子機械系統(tǒng)。起源于微電子技術(shù)，并在機械領(lǐng)域或機電一體化領(lǐng)域拓寬和延技伸。有人將用于通信、多媒體、網(wǎng)絡(luò)和智能等領(lǐng)域中的技術(shù)，形成了光 技術(shù) 和射術(shù)稱為信息頻 微波無線電通訊系統(tǒng)中的 。

研究的主要對象

MEMS的主要研究內(nèi)容： 基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究、MEMS材料和MEMS 的制造工藝研究。

基礎(chǔ)理論和技術(shù)的研究

理論基礎(chǔ)：一般的學科常常是先有了基礎(chǔ)理論，然后才會有工程應(yīng)用，但MEMS 技術(shù)卻一種工程應(yīng)用先于基礎(chǔ)理論的技術(shù)學科，其工程實際應(yīng)用往往超前于基礎(chǔ)理論，因此MEMS中涉及到的基礎(chǔ)理論研究有待于加強。這種現(xiàn)象并非在MEMS中獨有，例如材料的塑性加工技術(shù)中的基礎(chǔ)理論部分就比較薄弱，卻也能夠得到很好的工程應(yīng)用。我們知道，當構(gòu)件的幾何尺寸縮小到毫米或微米量級時，很多宏觀的理論已經(jīng)不適用于，有許多宏觀物理量需要重新定義，這也可能就是 納米需要對微小型化的尺寸效應(yīng)和技術(shù) 的魅力所在。因此理論基礎(chǔ)做進一步研究，包括微結(jié)構(gòu)學、微動力學、微流體力學、微摩擦學、微熱力學、微電子學、微光學和微生物學等。

技術(shù)基礎(chǔ)：基于 與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)在理論基礎(chǔ)上的差異，它所涉及的技術(shù)基礎(chǔ)研究也與傳統(tǒng)機電系統(tǒng)不同。主要涉及到的研究領(lǐng)域有：微系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、微系統(tǒng)材料、復(fù)雜可動結(jié)構(gòu)微細加工、微裝配與封裝、微測量、微系統(tǒng)的集成與控制和微宏接口等技術(shù)。

設(shè)計技術(shù)：主要研究設(shè)計方法 其中計算機輔助設(shè)計 是有力工具。計算機技術(shù)的進步使 技術(shù)在器件的設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用 有限元分析技術(shù)可以預(yù)測和模擬 器件的靜態(tài)和動態(tài)性能。 設(shè)計應(yīng)包括：器件模擬、系統(tǒng)校驗、封裝、優(yōu)化、掩模板設(shè)計和過程規(guī)劃等還應(yīng)建立混合的機械、熱和電氣的耦合模型。但是 設(shè)計技術(shù)又不同于常規(guī)的機電系統(tǒng)設(shè)計，這是由于當機械的尺寸縮小時，由于表面的摩擦力增加可能會導致建模分析時會遇到許多機械本身無法工作。因此，進行新的問題，在實踐中要開發(fā)快速的計算表面作用力算法、宏模型的建立、多物理場耦合分析等，并且可以采用 等軟件。進行耦合場的分析等.

MEMS材料

MEMS材料包括用于敏感元件和致動元件的功能材料、結(jié)構(gòu)材料和智能材料， 材料應(yīng)具有良好機械、電氣性能和適合微細加工的新材料。 中使用的結(jié)構(gòu)材料通常是以硅為主體的半導體材料;功能材料包括壓電材料、超磁致材料、光敏材料等;智能材料以形狀記憶合金為主。此外還有玻璃、陶瓷等材料及其力學分析是 設(shè)計的重要方面，其研究的關(guān)鍵問題包括材料及物理性能的研究和 結(jié)構(gòu)的力學分析與失效研究等。

MEMS的制造工藝是 的核心技術(shù)，也是 研究領(lǐng)域中最為活躍的部分，加工 器件的技術(shù)目前主要有以下三種。面向MEMS 的微細加工技術(shù)是在集成電路的基礎(chǔ)上形成，先后有了超精密機械加工、深反應(yīng)離子刻蝕、LIGA及準LIGA技術(shù)和分子裝配技術(shù)等。其加工手段包括電子束、離子束、光子束、原子束、分子束、等離子、超聲波、微波、化學和電化學等。MEMS研究已從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進入開發(fā)使用階段，目前，MEMS的應(yīng)用研究對象主要包括微構(gòu)件、微傳感器、微執(zhí)行器、MEMS專用 器件及系統(tǒng)等。這些研究成果的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，涉及到信息通訊、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學和航空航天等。因此MEMS技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用前景。

MEMS加工技術(shù)

如前所述， 加工技術(shù)主要分為三種，分別以美國為代表集成電路技術(shù)、日本以精密加工為特征的MEMS 技術(shù)和德國的LIGA技術(shù).

第一種是以美國為代表的硅基 技術(shù)，它是利用化學腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對硅材料進行加工，形成硅基器件。這種方法可與傳統(tǒng)的 工藝兼容，并適合廉價批技術(shù)量生產(chǎn)，已成為目前的硅基主流.各向異性腐蝕技術(shù)就是利用單晶硅的不同晶向的腐蝕速率存在各向異性的特點而進行腐蝕技術(shù)，其主要特點是硅的腐蝕速率和硅的晶向、攙雜濃度及外加電位有關(guān)。它靠調(diào)整器件結(jié)構(gòu)，使它和快腐蝕的晶面或慢腐蝕的晶面方向相適應(yīng)，利用腐蝕速度依賴雜質(zhì)濃度和外加電位這一特性可以實現(xiàn)適時停止腐的精密三維結(jié)構(gòu)。固相鍵合技術(shù)就是不用液態(tài)粘連劑而將兩塊固體材料鍵合在一起，且鍵合過程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽極鍵合 靜電物理作用 和直接鍵合兩種。陽極鍵合主要用玻璃鍵合，可以使硅與玻璃兩者的表面之間的距離達到硅分子級。直接鍵合技術(shù) 依靠化學鍵 主要用于硅 硅鍵合，其最大特點是可以實現(xiàn)硅一體化微機械結(jié)構(gòu)，不存在邊界失配的問題。表面犧牲層技術(shù)由美國加州大學分校開發(fā)出來的，它以多晶硅為結(jié)構(gòu)層，二氧化硅為犧牲層。表面犧牲層技術(shù)與集成電路技術(shù)最為淀積的基礎(chǔ)上，利用光刻、腐蝕等相似，其主要特點是在薄膜:常用工藝制備微機械結(jié)構(gòu)，最終利用選擇腐蝕技術(shù)釋放結(jié)構(gòu)單元，獲得可動結(jié)構(gòu)。最成功的表面犧牲層技術(shù)目前采用多晶硅薄膜作結(jié)構(gòu)材料、二氧化硅薄膜作犧牲層材料，該工藝為薄膜工藝，最大的優(yōu)點是容易將機械結(jié)構(gòu)與處理電路批量集成制造。

第二種是以日本為代表的利用傳統(tǒng)機械加工手段，用大機器制造小機器，再用小機器制造微機器的方法。此加工方法可以分為兩大類：超精密機械加工及特種微細加工。超精密機械加工以金屬為加工對象，用硬度高于加工對象的工具，將對象以下。此材料進行切削加工，所得的三維結(jié)構(gòu)尺寸可在技術(shù)包括鉆石刀具微切削加工、微鉆孔加工、微銑削加工及微磨削與研磨加工等。特種微細加工技術(shù)是通過加工能量的直接作用，實現(xiàn)小至逐個分子或原子的切削加工。特種加工是利用電能、熱能、光能、聲能及化學能等能量形式。常用的加工方法有：電火花加工、超聲波加工、電子束加工、激光加工、離子束加工和電解加工等。超精密機械加工和特種微細加工技術(shù)的加工精度已達微

左右的齒輪等微機米、亞微米級，可以批量制作模數(shù)僅為械元件，以及其它加工方法無法制造的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)器件。

第三種是以德國為代表的 LIGA技術(shù)，它是利用X 射線光刻技術(shù)，通過電鑄成型和鑄塑工藝，形成深層微結(jié)構(gòu)的方法。LIGA技術(shù)可以加工各種金屬、塑料和陶瓷等材料，得到大深寬比的精細結(jié)構(gòu)，其加工深度可達幾百微米。LIGA技術(shù)與其它立體微加工技術(shù)相比有以下特點：可制作高度達數(shù)百至1000UM，深寬比可大于200 ，側(cè)壁·可平行偏離在亞微米范圍內(nèi)的三維立體微結(jié)構(gòu);