MEMS技術(shù)概述

MEMS成為當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)，各國(guó)的科技工作人員將其作為一個(gè)獨(dú)立的邊緣學(xué)科站展開(kāi)國(guó)際范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)與工程研究。

MEMS的定義微機(jī)電系統(tǒng) 是集多個(gè)微機(jī)構(gòu)、微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理、控制電路、通信接口及電源于一體的微型電子機(jī)械系統(tǒng)。起源于微電子技術(shù)，并在機(jī)械領(lǐng)域或機(jī)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(chēng)為信息頻 微波無(wú)線(xiàn)電通訊系統(tǒng)中的 。

研究的主要對(duì)象

MEMS的主要研究?jī)?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(xué)科常常是先有了基礎(chǔ)理論，然后才會(huì)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(xué)科，其工程實(shí)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(qiáng)。這種現(xiàn)象并非在MEMS中獨(dú)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(dāng)構(gòu)件的幾何尺寸縮小到毫米或微米量級(jí)時(shí)，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(duì)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(jìn)一步研究，包括微結(jié)構(gòu)學(xué)、微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)和微生物學(xué)等。

技術(shù)基礎(chǔ)：基于 與傳統(tǒng)機(jī)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(jī)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(jì)技術(shù)、微系統(tǒng)材料、復(fù)雜可動(dòng)結(jié)構(gòu)微細(xì)加工、微裝配與封裝、微測(cè)量、微系統(tǒng)的集成與控制和微宏接口等技術(shù)。

設(shè)計(jì)技術(shù)：主要研究設(shè)計(jì)方法 其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 是有力工具。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步使 技術(shù)在器件的設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用 有限元分析技術(shù)可以預(yù)測(cè)和模擬 器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。 設(shè)計(jì)應(yīng)包括：器件模擬、系統(tǒng)校驗(yàn)、封裝、優(yōu)化、掩模板設(shè)計(jì)和過(guò)程規(guī)劃等還應(yīng)建立混合的機(jī)械、熱和電氣的耦合模型。但是 設(shè)計(jì)技術(shù)又不同于常規(guī)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這是由于當(dāng)機(jī)械的尺寸縮小時(shí)，由于表面的摩擦力增加可能會(huì)導(dǎo)致建模分析時(shí)會(huì)遇到許多機(jī)械本身無(wú)法工作。因此，進(jìn)行新的問(wèn)題，在實(shí)踐中要開(kāi)發(fā)快速的計(jì)算表面作用力算法、宏模型的建立、多物理場(chǎng)耦合分析等，并且可以采用 等軟件。進(jìn)行耦合場(chǎng)的分析等.

MEMS材料

MEMS材料包括用于敏感元件和致動(dòng)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(jī)械、電氣性能和適合微細(xì)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(dǎo)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(xué)分析是 設(shè)計(jì)的重要方面，其研究的關(guān)鍵問(wèn)題包括材料及物理性能的研究和 結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(xì)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(jī)械加工、深反應(yīng)離子刻蝕、LIGA及準(zhǔn)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(xué)和電化學(xué)等。MEMS研究已從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域進(jìn)入開(kāi)發(fā)使用階段，目前，MEMS的應(yīng)用研究對(duì)象主要包括微構(gòu)件、微傳感器、微執(zhí)行器、MEMS專(zhuān)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(chē)工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)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(guó)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(guó)的LIGA技術(shù).

第一種是以美國(guó)為代表的硅基 技術(shù)，它是利用化學(xué)腐蝕或集成電路工藝技術(shù)對(duì)硅材料進(jìn)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(jià)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(diǎn)而進(jìn)行腐蝕技術(shù)，其主要特點(diǎn)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(lài)雜質(zhì)濃度和外加電位這一特性可以實(shí)現(xiàn)適時(shí)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(guò)程中材料始終處于固相狀態(tài)的方法。主要包括陽(yáng)極鍵合 靜電物理作用 和直接鍵合兩種。陽(yáng)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(dá)到硅分子級(jí)。直接鍵合技術(shù) 依靠化學(xué)鍵 主要用于硅 硅鍵合，其最大特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)硅一體化微機(jī)械結(jié)構(gòu)，不存在邊界失配的問(wèn)題。表面犧牲層技術(shù)由美國(guó)加州大學(xué)分校開(kāi)發(fā)出來(lái)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(diǎn)是在薄膜:常用工藝制備微機(jī)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(dòng)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(diǎn)是容易將機(jī)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(jī)械加工手段，用大機(jī)器制造小機(jī)器，再用小機(jī)器制造微機(jī)器的方法。此加工方法可以分為兩大類(lèi)：超精密機(jī)械加工及特種微細(xì)加工。超精密機(jī)械加工以金屬為加工對(duì)象，用硬度高于加工對(duì)象的工具，將對(duì)象以下。此材料進(jìn)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(xì)加工技術(shù)是通過(guò)加工能量的直接作用，實(shí)現(xiàn)小至逐個(gè)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(xué)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(jī)械加工和特種微細(xì)加工技術(shù)的加工精度已達(dá)微

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

第三種是以德國(guó)為代表的 LIGA技術(shù)，它是利用X 射線(xiàn)光刻技術(shù)，通過(guò)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(xì)結(jié)構(gòu)，其加工深度可達(dá)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(diǎn)：可制作高度達(dá)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);