|
微系統是微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路甚至接口、通信和電源于一體的微型器件或系統。微系統的習慣術語有：MEMS(MicroElectro-Mechanical System，微機電系統)或MOEMS(微光機電系統，美國)、Micro-Machine(微機械，日本)、Micro Systems(微系統，歐洲)。從其尺寸角度，可分為1～10mm的微小機械，1μm～1mm的微機械，1nm～1μm的納米機械。相應地，微細加工技術也可分為微米級、亞微米級和納米級微細加工等。 MEMS系統主要包括微型傳感器、致動器和相應的處理單元三部分。作為輸入信號的自然界的各種信息，首先通過傳感器轉換成電信號，經過信號處理后(包括模擬/數字信號間的變換)再通過微致動器對外部世界發生作用。傳感器可以實現能量的轉化，從而將加速度及熱等信號轉換為系統可以處理的電信號。致動器則是根據信號處理，控制電路發出的指令自動完成人們所需要的各種功能。信號處理部分可以根據控制電路進行信號轉換、放大和計算等處理。這一系統還能夠以光、電、磁等形式與外界進行通信，并輸出信號以供顯示，或與其他系統協同工作，構成一個更完整的系統。 1.MEMS的應用領域 微機械無疑在生物醫學、精密儀器，特別是空間狹小、操作精度高、功能高度集成的航空航天機載設備領域有巨大的應用潛力，被認為是一項面向21世紀可以廣泛應用的新興技術。微系統的應用主要可以分為以下四個方面： (1)微型構件 通過微細加工技術加工出的三維微型構件有：微齒輪、微電動機、微渦輪、微光學器件、微軸承、微彈簧等。它們都是微系統的基礎機械部件。微機械的設計和加工水平的不斷提高，可以制造出越來越精細的微型構件。 (2) 微傳感器 微傳感器是最廣泛使用的MEMS器件。傳感器是一種將能量從一種形式轉變成為另一種形式、并針對特定可測量的輸人為用戶提供一種可用的能量輸出的器件。主要傳感器類型有：聲波傳感器、生物醫學傳感器和生物傳感器、化學傳感器、光學傳感器、壓力傳感器、熱傳感器等。 (3)微致動器 微致動器要求在動力源的驅動下能夠完成所需要的動作，常用的微致動器有微閥、微泵、微開關、微諧振器等。微系統驅動常用的驅動方式有：熱力驅動、形狀記憶合金驅動、壓電晶體驅動以及靜電力驅動等。 (4)微型器件及系統 應用較多的是醫療及外科手術設備，如人造器官、體內施藥及取樣微型泵等。微型機器人(見圖1)。航空航天領域中的微型導航系統、微型衛星、微型飛機(見圖2)等，以及微光學系統、微流量測量控制系統、微氣相色譜儀、生物芯片、仿生器件等。 2.微細加工及其關鍵技術 隨著微機電系統的發展，微型制造技術作為實現MEMS技術的關鍵也開始引起世界發達國家的材料科學工作者和工業界的極大關注。要想加工出精密的微機電器件，必須要具備相應微細加工技術。 目前，常用的有以下方法： (1) 光刻術(Photolithography) 這種方法首先在基質材料上涂覆光致抗蝕劑(光刻膠)，然后利用極限分辨率極高的能量束來通過掩膜對光致蝕層進行曝光(或稱光刻)。顯影后，在抗蝕劑層上獲得了與掩膜圖形相同的極微細的幾何圖形。最后再利用其他方法，便可在工件材料上制造出微型結構。目前光刻術中主要采用的曝光技術有：電子束曝光技術、離子束曝光技術、X射線曝光技術和紫外準分子曝光技術。 (2)蝕刻技術 蝕刻通常分為等向蝕刻和異向蝕刻。等向蝕刻可以制造任意橫向幾何形狀的微型結構，高度一般為幾微米，僅限于制造平面形結構。異向蝕刻可以制造較大縱深比的三維空間結構，其深度可達幾百微米。①化學異向蝕刻�；瘜W蝕刻具有獨特的橫向欠蝕刻特性，可以使材料蝕刻速度依賴于晶體取向的特點得以充分發揮。單晶硅具有結晶方向不同的結晶面，在堿性溶液中各結晶面之間存在著顯著不同的蝕刻速度。通過硅的可控摻雜法引入一個非常有效的蝕刻停止層，阻止蝕刻的進行，實現有選擇的蝕刻來制造微結構。②離子束蝕刻。離子束蝕刻又分為聚焦離子束蝕刻和反應離子束蝕刻。聚焦離子束蝕刻在離子密度為A/cm2數量級時，能產生直徑為亞微米的射束，可對工件表面直接蝕刻，且可精確控制射束的密度和能量。它是通過人射離子向工件材料表面原子傳遞動量而達到逐個蝕除工件表面原子的目的，因而可達到納米級的制造精度。反應離子束蝕刻是一種物理化學反應的蝕刻方法。它將一束反應氣體的離子束直接引向工件表面，發生反應后形成一種易揮發又易靠離子動能而加工的產物，同時通過反應氣體離子束濺射作用達到蝕刻的目的。是一種亞微米級的微加工技術。③激光蝕刻。激光蝕刻通常采用YAG激光和準分子激光。目前常用的有氟化氬準分子激光和氟化氙準分子激光。氟化氬準分子激光器所產生的遠紫外線激光束蝕刻塑料之類的聚合物硬材料，不僅可以蝕刻出極其微細的線條，而且不產生熱量，材料受光束焦點作用處的周圍沒有熱擴散和燒焦現象。這種準分子激光器所產生的遠紫外線，其波長為193nm，重復頻率為1Hz或大于1Hz，脈沖寬度為12ns。一個脈沖即可蝕刻出幾微米的溝槽。利用這種激光脈沖，能夠把材料逐層剝下來蝕刻出微細的線條。氟化氙準分子激光器產生的近紫外線的波長為 300nm，其蝕刻過程是，放在氯氣中的硅片受到激光輻射后，氯分子分解為氯原子，與此同時，硅片上受激光輻射的電子附在氯原子上，形成帶負電荷的氯離子，又與帶正電荷的硅原子發生化學反應，形成一種四氯化硅的揮發性氣體，通過反應器除掉四氯化硅，提供新鮮氯氣，于是硅片受到腐蝕，不需要感光膠就能得到所需要的圖形。 (3)LIGA技術 LIGA是由德文Lithographie(光刻)、Galvanoformung(電鑄成形) 和 Abformung(注塑)這三個詞生成的縮寫詞，是一種快速微制造技術。LIGA技術所加工的幾何結構不受材料特性和結晶方向的限制，可以制造由各種金屬材料、塑料制成的微機械。因此較之硅材料的加工技術有了一個很大的飛躍。LIGA技術可以制造具有很大縱橫比的三維結構�？v向尺寸可達數百微米，最小橫向尺寸為1μm。尺寸精度達亞微米級，而且有很高的垂直度、平行度和重復精度。LIGA技術包括以下三個工藝過程：①深層同步輻射X射線光刻。利用同步輻射X射線透過掩膜對固定于金屬基底上的厚度可達0.5mm的X射線抗蝕劑(光刻膠)進行曝光，然后將其顯影制成初級模板，該模板即為掩膜覆蓋的未曝光部分的抗蝕劑層，具有與掩膜圖形相同的平面幾何圖形。②電鑄成形。電鑄成形是用電沉積的方法在胎模上沉積金屬以形成零件，胎模為陰極，要電鑄的金屬作陽極。在 LIGA技術中，把托載初級模板(抗蝕劑結構)的金屬基底作為陰極，所要成形的微結構金屬材料(Ni，Cu，Ag)作為陽極。電鑄后，將它們整個浸入剝離溶劑中，對初級模板進行腐蝕剝離，剩下的金屬結構即為所需求的微結構件。③注塑。將電鑄制成的金屬微結構作為二級模板，將塑性材料注入二級模板的模腔，形成微結構件，從金屬模中提出。也可用形成的結構件作為模板再進行電鑄，應用LIGA技術進行三維微結構件的批量生產。 (4)犧牲層技術 犧牲層技術也叫分離層技術。犧牲層技術是在硅基板上，用化學氣相沉積方法形成微型部件，在部件周圍的空隙上添入分離層材料，最后以溶解或刻蝕法去除分離層，使微型部件與基板分離，此技術也可以制造與基板略微連接的微機械。 (5)外延技術 外延生長是微機械加工的重要手段它的特點是生長的外延層能保持與襯底相同的晶向，因而在外延層上可以進行各種橫向與縱向的摻雜分布與腐蝕加工，以制得各種結構。 (6) 特種微細加工技術�、傥⒓氹娀鸹庸ぁＮ⒓氹娀鸹庸さ脑砼c普通電火花加工并無本質區別。實現微細電火花加工的關鍵在于微小軸(工具電極)的制作、微小能量放電電源、工具電極的微量伺服進給、加工狀態檢測、系統控制及加工工藝方法等。應用微細電火花加工技術，目前已可加工出直徑2.5μm的微細軸和 5μm的微細孔，可制作出長0.5mm、寬0.2mm、深0.2mm的微型汽車模具，并用其制作出了微型汽車模型。可制作出直徑為0.3mm、模數為 0.1mm的微型齒輪。②微細電解加工。電解加工是一種利用金屬陽極電化學溶解原理來去除材料的制造技術，材料去除是以離子溶解的形式進行的，這種微去除技術使得電解加工具有微細加工的可能。有人通過降低加工電壓和電解液濃度，成功地將加工問隙控制在10μm以下。采用微動進給和金屬微管電極，在 0.2mm的鎳板上加工出了0.17mm的小孔。③微細超聲加工。隨著晶體硅、光學玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微機械中的廣泛應用，硬脆材料的高精度三維微細加工技術已成為一個重要的研究課題。目前可用于硬脆材料加工的方法主要有光刻加工、電火花加工、電解加工、激光加工和超聲加工等。利用超聲做細加工技術，用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直徑最小為5μm的微孔。④微細激光成形加工。微細激光成形加工與傳統的特種加工方式不同，激光成形加工不是將材料去除，而是通過材料添加的方法實現成形加工。根據加工材料和機理的不同，激光成形加工可以分為光固化成形、選擇性激光燒結成形、分層實體造型等多種類型。 (7)分子裝配技術 (Molecular Assemblage) 掃描隧道效應顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)具有0.01μm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌觀測儀。利用其測針的尖端可以俘獲分子或原子，并且可以按照需要拼成一定的結構，進行分子裝配制作微機械。美國某公司1991年操縱氙原子，在鎳板上拼出了“IBM”的字樣(見圖3)和美國地圖。我國中科院近代化學研究所也拼出了“原子”字樣(見圖4)和中國地圖。分子裝配技術是一種納米級微加工技術，是一種從物質的微觀角度來構造微結構，制作微機械的方法。 (8) 集成機構(Integrated Mechanism)制造技術 近來，微機械出現了一個新的發展趨勢，即利用大規模集成電路的微細加工技術，將各種精巧的微機構，如：微致動器、微傳感器、微控制器等集成在一個硅片上。它可以將傳統的無源機構變為有源機構，又可制成一個完整的機電一體的微機械系統，整個系統的尺寸可望縮小到幾毫米至幾百微米。 3.微系統研究現狀與展望 中國的MEMS研究始于1989年，在國家“八五”、“九五”計劃期問，得到了國家自然科學基金委員會、科技部、教育部、中國科學院和總裝備部的積極支持，經費總投入約為1.5億人民幣。經過十幾年的發展，我國在多種微型傳感器、微型執行器和若干微系統樣機等方面已有一定的基礎和技術儲備，如清華大學、北京大學、中科院電子所、信息產業部電子 13所、南開大學、中科院上海冶金所、上海交通大學、復旦大學，上海大學、東南大學、浙江大學、中國科技大學、廈門大學、哈爾濱工業大學、中科院長春光機所、大連理工大學、沈陽儀器儀表工藝研究所、重慶大學、信息產業部電子24所、44所和26所、西安交通大學、航空618所、航天771所等。在微型慣性器件和慣性測量組合、機械量微型傳感器和致動器、微流量器件和系統、生物傳感器和生物芯片、微型機器人和微操作系統、體硅微制造工藝等方面已取得一定成果�，F有的技術條件已初步形成MEMS設計、加工、封裝、測試的一條龍體系，為保證我國的MEMS技術進一步發展提供了較好的平臺。總之，面向MEMS微細加工技術作為一種高新技術在世界范圍內得到了高度重視，它與納米技術結合在一起，將對未來科技的發展帶來革命性的影響。 |
