微機械發(fā)展史

1、微機械發(fā)展史摘要：微機械最早可追溯到19世紀(jì)。19世紀(jì)，作為照相制版技術(shù)誕生了光制造技術(shù)。20世紀(jì)60年代，美國相繼開發(fā)出了結(jié)晶異方向腐蝕、雜質(zhì)濃度依存性腐蝕、陽極鍵合等基本微加工技術(shù)。進 入70年代，美國學(xué)者提出了基于硅半導(dǎo)體材料的微機械的設(shè)想。70年代到80年代硅傳感器隨著 半導(dǎo)體加工技術(shù)進步也有很大發(fā)展，利用微加工技術(shù)(micromachining)制造出多種微小尺寸的機 械零部件。1988年，美國加州大學(xué)Berkeley分校Muller研究小組發(fā)表了轉(zhuǎn)子直徑為60100 的硅靜電馬達，它的報道在當(dāng)時引起了很大的轟動。自此，MEMS 一詞漸漸成為一個世界性的學(xué)術(shù) 用語，MEMS技術(shù)的研究

2、開發(fā)也日益成為國際上的一個熱點。關(guān)鍵詞：微機械 MEMS技術(shù)發(fā)展歷程發(fā)展趨勢商業(yè)浪潮0前言微電子機械系統(tǒng)(Micro Electro - Mecba6ical System, MEMS )，簡稱微機械，是 以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的一項新技術(shù)。早在六十年代，隨著微電子技術(shù)的產(chǎn)生和 發(fā)展，一些富有創(chuàng)見的科學(xué)家便開始探索用硅微加工的方法制作傳感器、執(zhí)行器和控制器， 并設(shè)想將它們集成在一個微小的幾何空間內(nèi)，從而形成高度自動化、智能化，可以大批生產(chǎn)， 價格低廉的微電子機械系統(tǒng)。但在這個階段，尚不具備成熟的用于制作微機械結(jié)構(gòu)和器件的 加工技術(shù)。微機械僅僅是一種概念或設(shè)計思想。八十年代，大規(guī)模集成電

3、路技術(shù)己經(jīng)成熟， 人們用I C工藝成功地制作出了微機械壓力傳感器以及微鉸鏈、微連桿、微齒輪等等一系列 微機械零部件。微機械是在八十年代后期崛起的一門新興的前沿學(xué)科。1國際上微機械的發(fā)展情況早在1941年就出現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器一光敏電阻，但直到70年代集成電路出現(xiàn)以后它才 得到發(fā)展。晶體管和集成電路的發(fā)明一方面促進了電子電路和結(jié)構(gòu)型傳感器的結(jié)合，另一方 面使人們能夠利用固態(tài)物性來制作傳感器，從而導(dǎo)致了物性型傳感器的出現(xiàn)，其中半導(dǎo)體傳 感器是最重要的一種。因為半導(dǎo)體材料(特別是硅)對力，熱,磁等多種信號有敏感特性，而且 可以利用開發(fā)集成電路的先進工藝技術(shù)，目前半導(dǎo)體傳感器有立敏，光敏，磁敏，氣敏，離

4、 子敏，生物敏等多種類型的產(chǎn)品。由于可以采用平面工藝，半導(dǎo)體傳感器還具有微型化的潛 力。經(jīng)過不斷地努力，人們研制出了多種微型傳感器，部分還集成了簡單的信號處理電路， 同時也為微機械加工(Micro Machining)技術(shù)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。隨著微機械加工技術(shù)的內(nèi)容 不斷擴充，水平不斷提高，微機械加工技術(shù)成為力敏傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，并擴展了應(yīng)用范圍。微機械加工技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了微執(zhí)行器的誕生。人們在實踐中認識到，硅材料不僅 有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。微機械加工技術(shù)的出現(xiàn)，使得制作硅微機械部件成為可能。在 80年代初，一些有遠見的科學(xué)家提出了微機械執(zhí)行器的概念。1987年，加州大學(xué)伯克利分 校的范龍

5、生等人用表面微機械加工的方法制成了多晶硅齒輪，引起了國際學(xué)術(shù)界的震動。隨 后，汽車用微機械多路絕壓傳感器投入批量生產(chǎn)，從而表明MEMS技術(shù)作為一個重要的交 叉學(xué)科出現(xiàn)了。1 9 8 8年，美國加洲大學(xué)伯克利分校又首先用I C工藝研制成功了 06 0 u m的靜電微 電機。這一成果使世界為之轟動，它標(biāo)志著微機械技術(shù)己經(jīng)發(fā)展成了一門獨立的新興學(xué)科。 人類在認識與改造微觀世界方面的能力也進入了一個新的階段目前，作為二十一世紀(jì)的高 新技術(shù)和潛在的龐大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，微機械己引起世界各國的普遍關(guān)注，國內(nèi)外眾多的大學(xué)、 科研和產(chǎn)業(yè)部門都正在進行廣泛深入的研究。微型機械不是傳統(tǒng)機械單純地在尺度上微小型 化，當(dāng)

6、特征尺寸達到微米級后，微型機械的力學(xué)系統(tǒng)特征、材料的物理性質(zhì)及其對環(huán)境變化 的響應(yīng)與傳統(tǒng)機械都有很大不同，它通常是指可以成批制作的集合微機構(gòu)、微驅(qū)動器、微能 源以及微傳感器和控制電路、信號處理裝置等于一體的微型機電系統(tǒng)，因而它遠遠超出了傳 統(tǒng)機械的概念和范疇。微機械學(xué)就是在研究微尺度力學(xué)特性和微構(gòu)件機械特性的基礎(chǔ)上進行 微型機械的分析與設(shè)計，開發(fā)出與傳統(tǒng)機械的結(jié)構(gòu)、材料、功能和原理不同的機械裝置。微型機械具有廣闊的應(yīng)用前景，它的出現(xiàn)無疑將深刻影響國民經(jīng)濟和國防工業(yè)各個部門 的未來發(fā)展。微機械是一種獨立的微小型化的機電系統(tǒng)，主要由微驅(qū)動器，微傳感器，微執(zhí) 行器、微控制器以及能源等幾種要素組成。以

7、微電機為代表的微驅(qū)動器一直是微機械系統(tǒng)的 關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點之一，微電機的技術(shù)水平在一定程度上反應(yīng)了一個國家微機械發(fā)展的 側(cè)面。電磁微電機具有一些其他類電機無法比擬的優(yōu)點，是目前最有前途的微驅(qū)動器之一。 十幾年來，人們己經(jīng)設(shè)計制作出了多種形式和結(jié)構(gòu)的電磁微電機，但是有關(guān)電磁微電機的設(shè) 計理論和實驗研究仍然處于探索完善階段目前，微機械的結(jié)構(gòu)尺寸尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按照一 種習(xí)慣劃分，結(jié)構(gòu)尺寸在1毫米1 0毫米的，稱為微小機械(Minimechanism) ；1微米1毫米的稱為微型機械(Submicromechansm )，統(tǒng)稱為“微機械”。0.1納米0.1 微米的，稱為納米機械。自1947年Scho

8、ckley、Bardeen和Brattain發(fā)明晶體管以來，微電子技術(shù)有了突飛猛進 的發(fā)展。1953年，Charles S. Smith研究了半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。Kulite公司于1970年和1976 年，分別引入了各向同性和各向異性腐蝕技術(shù)。國家半導(dǎo)體公司于1974年將大批量生產(chǎn)的 壓力傳感器推向市場。1982年，“微機械”這一名詞應(yīng)運而生。這時，體硅微機械加工技術(shù) 已成為制作微機械器件的有效手段。1985年，犧牲層技術(shù)被引入微機械加工，“表面”微機 械加工概念由此產(chǎn)生。1987年，U. C. Berkeley利用微機械加工技術(shù)制作出了世界上第一個 微靜電馬達，掀開了微機械發(fā)展的新一頁。198

9、7-1988年間，一系列關(guān)于微機械和微動力學(xué) 的學(xué)術(shù)會議召開，MEMS 一詞在這些會議中被廣泛采納并漸漸成為一個世界性的學(xué)術(shù)用語。 1993年，ADI公司成功地將微型加速度計商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著 MEMS技術(shù)商品化的開端。由于MEMS具有的劃時代的意義，世界各國都極為關(guān)注其發(fā)展，在人力和物力兩方面 均給予了強有力的支持。據(jù)有關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，MEMS研發(fā)活動最積極的國家和地區(qū)依次為美 國、德國、日本、斯堪的納維亞地區(qū)、法國、中國、韓國、英國、瑞典和中國臺灣地區(qū)。2中國微機械的發(fā)展情況我國非常重視MEMS傳感器的研究和發(fā)展工作，而且起步較早。國家自然科學(xué)基金委 組織的立項起步于1

10、989年，中國科學(xué)院于1991年確立重點研究項目。1993年和1994年， 國家基金委、國家科委先后確定MEMS為重點項目和重大項目。自1993年底起，國防科工 委投入數(shù)千萬元用于“九五”期間微型機械的研究工作，并且建立了兩個微加工基地（IC、 LIGA）和一個項目研究中心。此后，國家基金委又確立了若干微機電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究項目， 國家科技部組織了集成微光機電系統(tǒng)重大基礎(chǔ)研究項目，S-863計劃也將MEMS主題列入 規(guī)劃。我國科學(xué)工作者積極從事微型機電系統(tǒng)研究，在微型驅(qū)動器和微型機器人的開發(fā)上取得 重要進展。例如20世紀(jì)90年代初期，采用壓電陶器驅(qū)動已研制出位移范圍為50納米的一 維驅(qū)動器，以及

11、位移范圍為50伽*50例的二維聯(lián)動驅(qū)動器。在此基礎(chǔ)上研制成功三自由壓 電陶器驅(qū)動的微型機器人，其位移范圍為50伽*50伽*50例，精度達到0.1例。另據(jù)報道， 我國還研制出電致伸縮陶器驅(qū)動的二自由度微型機器人，其運動范圍10mm，位移分辨率 0.01例。此外，在微型電機，微型泵以及微傳感器等方面也取得可喜成果。3微機械的主要發(fā)展歷程19世紀(jì)：照相制版1822年，法國的涅普斯首先進行了照相制版的實驗。1839年，蘇格蘭的龐頓闡明了現(xiàn)代 照相制版方法。1850年，法國的吉洛發(fā)明了銅鋅版的照相制版法。1948年，美國發(fā)明了無 粉腐蝕法，照相制版開始獲得廣泛使用。1951:布勞恩（Braun）管用影空

12、板（shadow mask）（美國RCA公司）（用于光制造工程）1954 :壓阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)所謂壓阻效應(yīng)，是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是C.S史密斯在1954年對硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測試中發(fā)現(xiàn) 的。壓阻效應(yīng)被用來制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器，把力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電 信號。1962 :結(jié)晶各向異性腐蝕1963:半導(dǎo)體壓力計（日本豐田研究所）1967:振動?xùn)艠O晶體管（美國Westinghouse公司）（利用犧牲層腐蝕方法）1968:陽極鍵合（美國Mallory公司）1969:雜質(zhì)濃度依存性腐蝕 1970 :硅微小電極（美國斯坦福

13、大學(xué)）（硅細微構(gòu)造體）1973:導(dǎo)管用硅壓力傳感器（斯坦福大學(xué)）微型離子敏場效應(yīng)管（日本東北大學(xué)）1975 :集成化氣體色譜儀（斯坦福大學(xué)）（傳感器+執(zhí)行器）1979 :集成化壓力傳感器（美國密歇極大學(xué)）（傳感器+電路）1981 :水晶微機械（日本橫河電機）1982： LIGA工藝（原聯(lián)邦德國原子力研究所）（高深寬比細微加工技術(shù)）LIGA工藝是由德國卡爾斯魯厄核研究中心在1982年開發(fā)出來的，其發(fā)展非常迅速。 目前，德國、美國、日本以及我國都開展了在該技術(shù)領(lǐng)域的研究。1986 :硅伺服型加速度傳感器（瑞士 CSEM）集成化微流量控制器（日本東北大學(xué)）1987:微型齒輪（美國加州大學(xué)Berkel

14、ey分校，貝爾研究所）1988:微靜電電機（美國加州大學(xué)Berkeley分校）4微機械引發(fā)的商業(yè)化浪潮MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu) 和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻 走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號。后來的電路則包括電容感應(yīng)移動質(zhì)量加速計，用 于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù) 靜電驅(qū)動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為

15、光纖 通訊的補充。盡管該市場現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長期看來將是MEMS 一個增長強勁的 領(lǐng)域。推動第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物 和神經(jīng)元探針，以及所謂的“片上實驗室”生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和 移動器件。近來對MEMS關(guān)注的提高部分來自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層（結(jié)構(gòu)制作時 使其它層分開的材料）在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動諧振結(jié)構(gòu)。5結(jié)論根據(jù)MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀，人們對今后MEMS技術(shù)的發(fā)展進行了大量的預(yù)測，作為本文 的小結(jié)，將大多數(shù)專家認為的MEMS技術(shù)在今后的主要發(fā)展趨勢綜合如下：研究方向多樣化。從歷次大型MEMS國際會議的

16、論文來看，MEMS技術(shù)的研究日益 多樣化。MEMS技術(shù)涉及的領(lǐng)域主要包括慣性器件(如加速度計與陀螺)、原子力顯微鏡、數(shù) 據(jù)存儲、三維微型結(jié)構(gòu)的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學(xué)器件、各種 執(zhí)行器、微型機電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫(yī)用器件、實驗表征器件、壓 力傳感器、麥克風(fēng)以及聲學(xué)器件等。內(nèi)容涉及軍事、民用等各個應(yīng)用領(lǐng)域。加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層 工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結(jié)合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚 膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等， 而具

17、體的加工手段更是多種多樣。系統(tǒng)單片集成化。一般傳感器的輸出信號(電流或電壓)很弱，若將它連接到外部電路， 則寄生電容、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號，因此采用靈敏元件外接處理電路的方法 已不可能得到質(zhì)量很高的傳感器，只有把兩者集成在一個芯片上，才能具有最好的性能。MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮。MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于： MEMS器件芯片一般都有活動部件，比較脆弱，在封裝前不利于運輸。所以，MEMS器件 芯片制造與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮。封裝技術(shù)是MEMS的一個重要研究領(lǐng)域，幾乎每次MEMS國 際會議都對封裝技術(shù)進行專題討論。普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途(如航空、航

18、天、軍事用)MEMS器件 并存。例如加速度計，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊等 的具有很高經(jīng)濟價值的加速度計，也有要求精度為10 8g的、可應(yīng)用于航空航天等高科技 領(lǐng)域的加速度計。對于陀螺，也是有些情況要求其精度為0.1/小時，有的則只要求10000/ 小時。參考文獻溫詩鑄，黎明.機械發(fā)展戰(zhàn)略研究.2003李德勝，王東紅，孫金瑋，金鵬.MEMS技術(shù)及其應(yīng)用.2002王寧，李永亮，吳海淼.機械學(xué)研究進展與發(fā)展趨勢.苑偉政，馬炳和.微機械與細微加工技術(shù).2000謝黎明等.機械工程與技術(shù)創(chuàng)新.2005法國微技術(shù)研究發(fā)展計劃書.1992苑偉政.立體細微光刻技術(shù).1995董

19、海軍，苑偉政.微機械與微機器人材料.航空精密技術(shù).1996The Micro Electro - Mecba6ical System develops history(School of Mechanical Engineering ,Guangdong University Of technology，Guangdong 510006) Abstract : MEMS can be traced back as early as the 19th century. The 19th century, was born as a photo-offset technology of optic

20、al manufacturing technology. The 20th century, 60s, the United States have developed a different direction of the crystallization of corrosion, impurity concentration dependence of corrosion, anodic bonding, such as the basic micro-processing technology. Into the 70s, the United States scholars have put forth a silicon-based semiconductor materials, the idea of m