第節(jié)微機(jī)械及其微細(xì)加工技術(shù)

1、36嶽機(jī)織及*抵佃彌工牧*一、引言隨著微/納米科學(xué)與技術(shù)(Micro/Nano Science and Technology)的發(fā)展，以本 身形狀尺寸微小或操作尺度極小為特征的 微機(jī)械已成為人們在微觀領(lǐng)域認(rèn)識和改造 客觀世界的一種高新技術(shù)。微機(jī)械是80年代末出現(xiàn)的一門嶄新的 學(xué)科，被譽(yù)為21世紀(jì)最具代表性的技術(shù)之微機(jī)電系統(tǒng)與微電子學(xué)、信息學(xué)、楚 料科學(xué)和納乘鏤術(shù)馬發(fā)展等密切相關(guān)。被 公認(rèn)為21世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科，是國家重 點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。微機(jī)電系統(tǒng)是微電子技術(shù)的延伸和拓 寬，通過傳感器、致動器、信號處愛 制等多項(xiàng)功能，與外部世界有機(jī)聯(lián)系起來。36嶽機(jī)織及*抵佃彌工就*微機(jī)電系統(tǒng)的概念始于2

2、0世紀(jì)80年代， 一般泛指尺度在亞微米至亞毫米范圍內(nèi) 的裝置。在不同國家和地區(qū)有不同的術(shù) 語和解釋：美國稱作 Micro Electro-Mechanical System - MEMS （微型電-機(jī)系統(tǒng)） 微型電-機(jī)系統(tǒng)是由電子和機(jī)械組成的集 成化器件或系統(tǒng)，釆用與集成電路兼容 的大批量處理工藝制造，尺寸在微米到 毫米之間。在歐洲則稱作Micro System （微系統(tǒng)） 是指具有微米級結(jié)構(gòu)，可以批量制作的、集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器 以及信號處理和控制電路、甚至外圍接 口、通信電路和電源等于一體的微型器 件或系統(tǒng)。在日本稱作Micro Machine （微機(jī)器） 微機(jī)器由只有幾毫米

3、大小的功能元件組 成，它能夠執(zhí)行復(fù)雜、細(xì)微的任務(wù)。微機(jī)電系統(tǒng)是指特征尺寸在微米至毫米范圍內(nèi)，由電子和機(jī)械組成的集成化器件或系統(tǒng)。按外形尺寸，微機(jī)械可劃分 為l-10mm的微小型機(jī)械,lgm-lmm的微機(jī) 械，以及l(fā)nml(im的納來機(jī)械。搔口 I 艇信 他霜機(jī)電I圖1微型機(jī)電系統(tǒng) 微機(jī)電系統(tǒng)器件不能用總尺寸來定義，而 用特征尺寸來表征。特征尺寸：決定器件性質(zhì)和加工工藝的關(guān) 鍵尺寸。如擴(kuò)散硅壓力傳感器的膜厚。1=由于微機(jī)電系統(tǒng)的基于微電子技術(shù)的背景（從微機(jī)械的加工方法來看，它主要起源于硅集成制造技術(shù)），使其具 有集成電子器件所具有的微小、可靠、靈敏、低耗、高效、成本低、適于大批 量生產(chǎn)等系列優(yōu)點(diǎn)

4、。1=微機(jī)械具有以下幾個基本特點(diǎn):1-體積?。ㄌ卣鞒叽绶秶鸀閘nm10mm）, 精度高，重量輕，慣性小。2性能穩(wěn)定，可靠性高。III微機(jī)械器件體積極小，封裝后幾乎 可以擺脫熱膨脹、噪聲和撓曲等因素的 影響，具有較高的抗干擾性，可以在比 較惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。3能耗低，靈敏性和工作效率高（響應(yīng)時(shí) 間短）。Ti完成相同的工作，微機(jī)械所消耗的 能量僅為傳統(tǒng)機(jī)械的十幾或幾十分之一, 卻能以數(shù)十倍以上的速度運(yùn)作。微機(jī)電 系統(tǒng)不存在信號延遲等問題，從而更適 合高速工作。4多功能和智能化。集約高技術(shù)成果，附 加價(jià)值高。5適于大批量生產(chǎn)，制造成本低廉。具有以下一般機(jī)械所不能及的優(yōu)勢:1 表現(xiàn)在活動空間、操作

5、對象和工作環(huán)境 o微機(jī)械能夠進(jìn)入極狹小空間進(jìn)行作業(yè)，且不易對環(huán)境造成不必要的影響與破壞。微機(jī)械還可以面對很脆弱、易損 傷的工作對象。微機(jī)械還可出現(xiàn)于人類所不能及或不適宜的工作環(huán)境O2與_般機(jī)械相比，微機(jī)械所表現(xiàn)出的智能化程度更高、實(shí)現(xiàn)的功能更趨于多樣化。國外一些有實(shí)力的半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)對微機(jī)械的研究非常重視，已研 制開發(fā)出許多有特色的產(chǎn)品。目前，微機(jī)械的研究正在從基礎(chǔ)研究逐步邁向研制開發(fā)與實(shí)用階段。許多微傳感器、微執(zhí)行器以及微光 學(xué)部件已經(jīng)在某些行業(yè)得到應(yīng)用。目前微機(jī)械研究分為理論研究、技術(shù)基礎(chǔ) 研究及應(yīng)用研究三部分。|=1、理論基礎(chǔ)lTAI當(dāng)尺寸縮小到一定范圍時(shí)，許多物理現(xiàn)象 與宏觀世界

6、有很大差別。在微觀尺寸領(lǐng)域, 與尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力 (L9等的作用相對減小，而與尺寸的低次方 成比祈南黏性力、彈性力(L2)、衰面永另 (口)、靜電力(L。)等的作用相對增大，同時(shí) 表面積(U)與體積(l?)之比增大，熱傳導(dǎo)、 化學(xué)反應(yīng)等加速和表面間的摩擦力顯著增 矢。因此，許多宏觀物理量進(jìn)入微觀尺度 后甚至需要重新定義。相關(guān)學(xué)科，如微電 子學(xué)、微機(jī)械學(xué)、微光學(xué)、微動力學(xué)、微 流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微摩擦學(xué)、微結(jié)構(gòu) 學(xué)和微生物學(xué)等共同構(gòu)成了微機(jī)械研究的 理論基礎(chǔ)。2、技術(shù)基礎(chǔ)1=1!微機(jī)械涉及的基礎(chǔ)技術(shù)主要有：微機(jī)械設(shè) 計(jì)，微機(jī)械材料，薇細(xì)加工，集成技術(shù)， 微裝配和封裝，微測量

7、，微能源，微系統(tǒng) 控制等。微機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)包括：微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、彈塑 性有限元分析、CAD/CAM技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技 術(shù)、微系統(tǒng)建模與仿真等。微細(xì)加工技術(shù)：微機(jī)械的技術(shù)關(guān)鍵，目前 常用的方法包括起源于半導(dǎo)體IC加工工藝 的硅微細(xì)加工、微細(xì)電火花加工等特種精 密加工、LIGA技術(shù)、微組裝技術(shù)等。微系統(tǒng)測量技術(shù)：設(shè)計(jì)材料的機(jī)械性能、 微構(gòu)件或微系統(tǒng)參數(shù)與性能測試等，微型ri薄膜構(gòu)件的彈性模量、泊松比、拉伸強(qiáng)度、 殘余應(yīng)力、韌性等。在測量基礎(chǔ)上建立相 關(guān)的數(shù)據(jù)庫和數(shù)學(xué)、力學(xué)模型，從而進(jìn)一 步服務(wù)于以后的設(shè)計(jì)、制造、改進(jìn)以及測 量過程。36紋機(jī)鐵及克嶽佃卻工藝卡微系統(tǒng)的集成與控制：涉及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、微 傳感器或微執(zhí)

8、行器與控制處理電路的集成、 能源供給、接口通訊等。空航是的力，度應(yīng) 學(xué)高的醫(yī)能大物功巨、高有 器度， 儀精域 密作領(lǐng) 精操備機(jī)狹航微間空二微型機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及展望1微型儀器1=微型儀器實(shí)際上就是具有儀器功能 的MEMS產(chǎn)品，是MEMS技術(shù)與微電子技術(shù) 綜合集成的產(chǎn)物。它具有一般儀器具有 的監(jiān)測、測量、分析、診斷、控制和執(zhí) 行功能，是一種新型的智能結(jié)構(gòu)。其基 本結(jié)構(gòu)模式為：微傳感器+信號和數(shù)據(jù)處理電路（含控 制軟件）+外顯示器或微執(zhí)行器(1) 微光譜儀(2) MEMS顯示器美國Texas Instruments研究用于投影顯示裝置的數(shù)字驅(qū)動微鏡陣列芯片(Digital Micromirror de

9、vice-DMD)。已成功利用768 X 576像素的DMD芯片制出彩色電視投影儀。 DMD芯片利用硅表面微加工工藝制作，一個微 鏡的尺寸僅16umX 16umo(3) 微型化學(xué)傳感器及微型粘度儀利用微機(jī)械薄膜(厚度僅3um)對化學(xué)分子的吸收，改變薄膜的體積，導(dǎo)致性能發(fā)生改變。2MEMS在醫(yī)療和生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用r生物細(xì)胞的典型尺寸為110um,生 物大分子的厚度為納米量級，長度為微 米量級。微型器件尺寸也在這范圍之內(nèi), 因而適合操作生物細(xì)胞和生物大分子。 另外，臨床分析化驗(yàn)和基因分析遺傳診 斷所需要的各種微泵、微閥、微銀子、 微溝槽、微器皿和微流量計(jì)等。增高體溫法治療癌癥：利用超聲波或無 線

10、電波的能量把身體某一部位加熱到 430C以殺死癌細(xì)胞。IIIIII在治療時(shí)溫度不夠效果就不好，溫度 過高又會傷害周圍的組織，醫(yī)生很難判 斷腫瘤部位是否達(dá)到這個溫度。美國斯 坦福大學(xué)研究所研制的微型溫度傳感器 可注射到腫瘤中去。血管成形手術(shù)：在動脈中推動一個小氣球來清除動脈壁上的硬化瘢塊。通過注射或吞服法將微機(jī)械加工法制成的微型壓力傳感器放到氣球里面， 醫(yī)生通過它可以知道瘢塊清除工作進(jìn)行 得怎樣。通過微機(jī)械加工技術(shù)已經(jīng)能夠制造出可以夾起一個紅細(xì)胞的微型銀子。3. MEMS在汽車工業(yè)的應(yīng)用Ill汽車內(nèi)安裝的微型傳感器已達(dá)幾十個，用來傳感 氣囊、壓力、溫度、濕度等的情況，以及進(jìn)行智 能控制。其中用于

11、制導(dǎo)、衛(wèi)星控制的微慣性傳感 器及微型慣性測量組合在汽車中可用于自動駕駛、 防撞氣囊、防報(bào)死系統(tǒng)（ABS）等。微型壓力傳感器：檢測發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管壓力，微機(jī) 據(jù)此控制發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，如最省油或排污最 少的狀態(tài)。微加速度計(jì)：用于汽車安全氣袋系統(tǒng)中，檢測和 監(jiān)控前面和側(cè)面的碰撞。微角速度計(jì)：用于車輪側(cè)滑和打滾控制。 微型繼電器等。4MEMS軍事應(yīng)用展望軍事領(lǐng)域是微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的最早應(yīng)用 領(lǐng)域。汽車工業(yè)q安全氣囊加速計(jì)、發(fā)動機(jī)壓力計(jì)、自動駕駛陀螺武器裝備u制導(dǎo)、戰(zhàn)場偵察（化學(xué)、震動）、武器智能化生物醫(yī)學(xué)疾病診斷、藥物研究、微型手術(shù)儀器、植入式儀器信息和通訊LTjQ光開關(guān).波分復(fù)用器.集成化RF組件.打印

12、噴頭娛樂消費(fèi)類微機(jī)電技術(shù)已經(jīng)受到工業(yè)發(fā)達(dá)國家的高度重視。從微機(jī)電發(fā)展的總體水平看, 許多關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，正處于從實(shí)驗(yàn) 室研究走向?qū)嵱没?、產(chǎn)業(yè)化階段。|=美國國家自然科學(xué)基金、先進(jìn)研究計(jì)劃、 國防部等投資14億美元進(jìn)行微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的研究。ri歐共體為了加強(qiáng)各國之間的組織和合作, 成立了NEXUS （多功能微系統(tǒng)研究合作 機(jī)構(gòu)）組織。德國20世紀(jì)80年代中期發(fā) 展的LIGA工藝，研究人員在實(shí)驗(yàn)室里制 造出了微傳感器、微電機(jī)、微執(zhí)行器、 微型流量計(jì)以及直徑為數(shù)百微米的金屬 雙聯(lián)齒輪等微機(jī)械零件。日本制定了納米制造計(jì)劃、埃技術(shù)計(jì)劃、 微型機(jī)器人計(jì)劃。目前日本共有以企業(yè) 為中心的60多個微機(jī)電系統(tǒng)研

13、究組。成立了微機(jī)械中心和微機(jī)械學(xué)會。1=我國的微系統(tǒng)研究起步并不晚，目前從 事微機(jī)電系統(tǒng)研究的單位有60多個，主 要集中在高校、中科院及信息產(chǎn)業(yè)部的 研究所。已積累了一些基礎(chǔ)技術(shù)，取得 了一些傳感器和微執(zhí)行器的研究經(jīng)驗(yàn)和 科研成果，多數(shù)為實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，商品化 工作剛剛起步，離產(chǎn)業(yè)化要求相距甚遠(yuǎn)。二、微機(jī)電系統(tǒng)材料硅材料微機(jī)械加工源自于微電子集成制造，所 以在微機(jī)電系統(tǒng)材料中，硅是最常用的 材料。硅具有良好的機(jī)電合一特性。36嶽機(jī)織嶽佃戟木加工特點(diǎn)：1、既有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，又有良好的電性能，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)電器件的集成化。2、硅的加工精度比較高，容易生成絕緣 薄膜。3、硅具有壓阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)。4、硅材

14、料密度小，為不銹鋼的1/3,而彎曲強(qiáng)度卻為不銹鋼的35倍。36嶽機(jī)織及*抵佃戟*餉工|壓阻效應(yīng)：電阻阻值變化與應(yīng)變成正比。霍爾效應(yīng)：霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種， 將一堆半導(dǎo)體或?qū)w材料，沿Z方向加以 磁場目，沿X方向通以工作電流I,貝恠Y 方向產(chǎn)生出電動勢V,如圖所示，這現(xiàn)象 稱為霍爾效應(yīng)。V稱為霍爾電壓。壓電材料一些離子型晶體的電介質(zhì)存在壓電效應(yīng)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸頓等）?？衫脡弘娦?yīng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動或開發(fā)微型傳感器。正壓電效應(yīng)：在壓電材料的一定方向上施 加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會引起它內(nèi)部 正負(fù)電荷的遷移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo) 致其兩個相對表面（極化面）上出現(xiàn)符號相反 的電荷，且其電荷密度與

15、外應(yīng)力成正比。3.6緻機(jī)被&箕嶽佃就木餉工逆壓電效應(yīng)（或稱電致伸縮）：若對壓電 材料施加電場作用時(shí)，會引起材料內(nèi)部正 負(fù)電荷中心的相對位移，導(dǎo)致赫料變形， 應(yīng)變與外電場強(qiáng)度成正比，應(yīng)變的方向與 電場方向有關(guān)。除石英晶體外，還有壓電陶瓷、壓電高分 子材料和壓電半導(dǎo)體等。由于壓電陶瓷具 有微小位移且精度高的突出優(yōu)勢，適應(yīng)微 機(jī)械、微機(jī)器人微小位移控制的要求HL形狀記憶合金利用形狀記憶合金的記憶特性可以制成對環(huán)境 溫度敏感的熱響應(yīng)執(zhí)行器，也可利用形狀記憶 合金的導(dǎo)電特性進(jìn)行電加熱，構(gòu)成電驅(qū)動執(zhí)行 器。超磁致伸縮材料材料在磁場作用下，其長度或形狀發(fā)生伸長或 縮短的現(xiàn)象，具有較大磁致伸縮應(yīng)變的材料稱 為

16、超磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料可承受比 壓電陶瓷高一個數(shù)量級的應(yīng)變，制成的超高精 密致動器具有高的精度和大的輸岀力。三、微細(xì)加工技術(shù)微細(xì)加工(Microfabrication)起源于半導(dǎo)體制造工藝，原來指加工尺度約在微米級范圍的加工方式O在微機(jī)械研究領(lǐng)域中，它是微 米級，亞微米級乃至毫微米級微細(xì) 加工的通稱。可以進(jìn)一步分為微米級微細(xì)加工 (Mi cro-fabri cat ion),亞微米級微 細(xì)加工(Sub-mi cr o-f abr i cat i on)和 納米級微細(xì)加工(Nano-f abr i cat i on) 等。廣義上的微細(xì)加工，其方式十分豐富，幾乎涉及了各種現(xiàn)代特種加 工、高能束等加工方式。變形加工一一使材料形狀發(fā)生改變 的加工方式，如塑性變形加工、流體變 形加工等；材料處理或改性，如一些熱處理或表面改性等。T1微機(jī)械領(lǐng)域的重要角色