范文一：微机电系统的发展概况

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微机电系统 (MEMS)发展概况

MEMS 是微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems)的英文缩写。 MEMS 是美国的叫法,在日本被称为微机械,在欧洲被称为微系统,它是指可批 量制作的, 集微型机构、 微型传感器、 微型执行器以及信号处理和控制电路、 直 至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。 MEMS 是随着半导体集成电路 微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的,目前 MEMS 加工技术 还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域, 从而进行生物化学等实验室技 术流程的芯片集成化。

MEMS 由硅片采用光刻和各向异性刻蚀工艺制造而成,具有尺寸小、重量轻、 成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强以及易批量生产等优点。 MEMS 主要包括 微型机构、 微型传感器、 微型执行器和相应的处理电路等几部分, 它是在融合多 种微细加工技术, 并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前 沿学科。 MEMS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业,采用 MEMS 技术 制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电 力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所 接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 MEMS 技术正发展成为一个巨 大的产业, 就象近 20年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样, MEMS 也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响。目前 MEMS 市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱 动头等。大多数工业观察家预测,未来 5年 MEMS 器件的销售额将呈迅速增长之 势,年平均增加率约为 18%,因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体 物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。

1微机电系统基本组成及原理

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,简称 MEMS )是通过微制 造技术将机械单元、 传感器、 执行器件和电子元件整合到一片微基板上的系统装 置。 这种新兴的机电系统为传统机械科学的发展指明了一个重要的前进方向, 微 机电系统的概念起源于 1959年美国物理学家、诺贝尔奖获得者 Rechard P Feynman 提出的微型机械的设想,其后 1962年出现了第一个硅微压力传感器。 1988年,世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校,该电 机直径仅为(60~120) μm, 为世人瞩目 , 由此产生了世界微机电系统技术研究的 一个阶段性标准 .1989年 NSF (National Science Foundation) 7在研讨会的总 结报告中提出了”微电子技术应用于电子、机械系统” , 自此 ,MEMS 成为一个新 的学术用语。

美国的研究是在半导体集成电路工艺技术基础上扩展而来的 #称之为 MEMS , 欧洲的研究从系统的角度 #突出强调了系统的观点 #即将多个微型传感器、执行 器、信号处理和控制电路等部件集成为智能化的微型电子机械系统,称之为 Microsystems 。日本利用传统的精密机械加工的优势,利用大机器制造小机器, 再利用小机器制造微机器,故称之为 Micromachine 。

MEMS 主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。作为输入信

号的自然界各种信息首先通过传感器换成电信号,经过信号处理以后 (模拟/数 字 ) 再通过微执行器对外部世界发生作用,传感器可以把能量从一种形式转化为 另一种形式, 从而将现实世界的信号 (如热、 运动等信号 ) 转化为系统可以处理的 信号 (如电信号 ) , 执行元件根据信号处理发生的指令完成人们所需要的操作, 信 号处理器则可以对信号进行转换、 放大和计算等处理, 微机电系统内容包含的单 元主要有以下几大类:(1)微型传感器。 微型传感器是 MEMS 的一个重要组成部分。 1962年第一个硅微型压力传感器问世,开创了 MEMS 的先河。现在已经形成产品 和正在研究中的微型传感器有:压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、 电量、磁场、温度、气体成分、湿度、 PH 值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、 触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。 (2)微型执行 器。 微型执行器的功能是利用不同原理与执行机构来产生力并实现位移。 微型电 机是一种典型的微型执行器, 可分为旋转式和直线式两种类型, 其他的微型执行 器还有:微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微型执行器分布成阵列可以收到 意想不到的效果, 如:可用于物体的搬送、 定位、 微型执行器的驱动、 压电驱动、 电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。 (3)微型构件。 作为小型或微型机器和设备的构成部分, 主要包括微膜、 微梁、 微控针、 微齿轮、 微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。 (4)真空微电子器件。它是 微电子技术、 MEMS 技术和真空电子学发展的产物,是一种基于真空电子输运器 件的新技术, 采用已有的微细加工工艺的芯片上制造集成化的微型真空电子管或 真空集成电路。 目前主要包括场发射显示器、 场发射照明器件、 真空微电子毫米 波器件、 真空微电子传感器等。 由于电子输运在真空中进行, 因此, 具有极快的 开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。

图 1 典型的 MEMS 系统

2微机电系统技术

微机电系统应用的技术主要来自于一系列微米级专用制造手段 #而这些手段 中的很大一部分来自于 IC (integrated circuits)技术 , 微机电系统技术和 12技术一样都将系统结构整合在一片硅基板上 #这些结构基本上都是利用薄膜技术 沉积 , 而且大部分采用光刻成型。 但是, 由于微机电系统与一般 12工艺还有很大 的不同, 其显著的区别是微机电系统部件之间常常有相对移动, 因此制备相对移

动微部件的工艺是其工艺的重点和难点。 微机电系统所应用的技术按工艺方法不 同主要可以概括为:表面微硅技术、体微硅工艺和 LIGA 。

2.1表面微硅工艺

表面微硅工艺是一种利用硅片表面薄膜的淀积和腐蚀来获得所需机械结构 的方法, 所得到的结构尺寸与体硅加工工艺相比较小。 这种方法采用了大量与集 成电路兼容的材料和工艺, 便于集成和批量生产。 但是由于淀积的薄膜不能过厚, 所得到的机械结构的质量比较小。 另外, 如果用电容作为检测方法, 其绝对值和 变化量也很小, 检测到的信号弱。 不过, 机械结构可以和电路集成于同一芯片内, 检测电路受噪声和寄生效应的影响小, 弥补了灵敏度低的缺陷。 表面微硅工艺包 括通过沉积、 喷射和腐蚀工艺, 在基板表面构建微机电系统结构。 其主要步骤是:在硅衬底上先沉积一层最后要被腐蚀掉的薄膜, 在此薄膜上沉积制造运动机构的 膜, 然后利用光刻技术制造出机构图形和腐蚀下层膜的通道, 待一切完成后就可 以腐蚀牺牲层释放微机构。 最常用的牺牲层材料是二氧化硅, 在机构图形下利用 HF 酸很容易将其腐蚀掉 . 最新又出现了 5层多晶硅表面加工工艺 SUMMITV ,利用 表面微加工技术可以制备大量的微机械装置, 其中微加速度计和角速度传感器等 微机电系统产品已经得到实际应用。

2.2、体微硅工艺

体微硅工艺是利用各种腐蚀技术对本体材料 (硅) 进行加工的工艺, 现已用 这种工艺制备了各种微机电系统结构。 腐蚀技术可分为湿腐蚀法和干腐蚀法, 又 可分为各向同性腐蚀和各项异性腐蚀。 有两种体微硅加工工艺比较重要:一个是 方向腐蚀工艺(ODE )它主要具有湿化学腐蚀单晶硅在某晶向的腐蚀速率是其他 方面的 600多倍这一特性, 适合于生产压力传感器中的薄膜; 另一个是等离子腐 蚀工艺, 其中主要包括反应离子刻蚀技术 (RIE ) 和深反应离子刻蚀技术 (DRIE ) , 利用该工艺可以制作纵横比大于 5的叉指式振动陀螺结构。

2.3 LIGA工艺

LIGA 一词来源于德语光刻(Lithogaphie ) 、电铸(Galvanoformung ) 、成形 (Abformung ) 3个单词的缩写 , 是一种由深度 , 射线光刻、微电铸成型和塑料铸 模技术结合而成的综合性加工技术。 LIGA 技术是在 20世纪 80代中期由德国 Karlsrahe 原子核研究中心发展起来的 , 包括同步辐射深度光刻、微电铸、微塑 铸 3个过程 . LIGA 技术是制作三维微结构的理想途径,加工深度可达毫米量级, 精度可至亚微米量级,深宽比高达 200,材料适应范围宽、易于形成低成本的工 业生产规模等优点,是最重要的非硅基微加工技术之一。由于 LIGA 技术需要同 步辐射光源这样的大型装置, 人们在得不到同步辐射的情况下, 以牺牲高精度为 代价发展了紫外光厚胶光刻及感应耦合等离子体深度刻蚀等准 LIGA 工艺。准 LIGA 工艺的紫外光厚胶光刻可达到毫米量级,但深宽比不超过 20,感应耦合等 离子体刻蚀深宽比可以较大 , ,但深度一般不超过 300μm 。

3 MEMS的应用

MEMS 技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域,它几乎涉及到自然 及工程科学的所有领域,如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学,材 料科学、能源科学等。而它与不同的技术结合,往往便会产生一种新型的 MEMS 器件。

3.1医疗和生物技术

医用微型机器人是最有发展前途的应用领域。 微型机器人可以进入人体的血 管, 从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪, 疏通患脑血栓病人阻塞的血管。 外科医生 可以通过遥控微型机器人作毫米级的眼网膜手术。 日本更是制定了采用 “机器人 外科医生” 的计划, 并正在开发能在人体血管中穿行、 用于发现并杀死癌细胞的 超微型机器人。 微型机器人在医疗领域中的应用具体有以下几方面:定向药物投 放系统、低损伤手术用微型机器人、手术用内窥镜及钳子№ 1和微小分散型人工 脏器。生物细胞的典型尺寸为 1~10μm ,生物大分子的厚度为纳米量级,长为 微米量级。 微加工技术制造的器件尺寸也在这范围之内, 因而适合于操作生物细 胞和生物大分子。另外,临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、 微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计都可用 MEMS 技术制造。

3.2信息技术

MEMS 的最高目标是信息系统集成, 从信息获取 (传感器 ) 到信息处理 (信息处 理电路 ) 和信息执行 (执行器 ) 等功能都实现集成 (单片或多片 MEMS)]。无疑 MEMS 技术的发展会对信息技术产生深远的影响。 已经开发出许多用于通信系统特别是 光纤通信网络的 MEMS 器件,如光开关、光调制器、光纤开关、光纤驻准器、可 调滤波器、 集成光编码器、 无源调制器等。 利用机械运动的微光开关有许多特点:性能与波长、极化情况无关;对比度大、串扰小等。从多媒体人机界面 (HI)看, 使用微麦克风的语音输入和使用微摄像万方数据 4期赵运才李克安:微机电系统 技术及其应刚 89系统的图形输入都有广阔市场,如今正在大力研制的微型智能 机器人更是控制系统的最高目标之一。 用微陀螺装在鼠标上以稳定其运动, 把微 机械及其控制电路集成的微器件半球磁头上可使其在磁道上运行精度大大提高 (<0. 1μm)="">

3.3航空、航天技术

由于卫星及其发射的高成本, 早有人提出了小卫星、 微小卫星、 微卫星和纳 米卫星等概念。在 1995年国际会议上已有人提出研制全硅卫星,即整个卫星由 硅太阳能电池板、 硅导航模块、 硅通信模块等组合而成, 这样可使整个卫星的重 量缩小到以千克计算, 大幅度降低卫星的成本, 使较密集的分布式卫星系统成为 现实。 由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多, 可以大大提高武器控制系统 的信息传输、 存储和处理能力, 可以制造出全新原理的智能化微型导航系统, 使 制导武器的隐蔽性、 机动性和生存能力发生质的变化。 利用纳米技术制造的形如 蚊子的微型导弹, 可以起到神奇的战斗效能。 纳米导弹直接受电波遥控, 可以神 不知鬼不觉地潜入目标内部,其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机等。

3.4环境科学

利用 MEMS 制造的由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测 量和分析设备, 用来检测气体和液体的化学成分, 检测核生物、 化学物质及有毒 物品,有体积小、价格低、功耗小、便于携带等优点。微机电系统电子鼻的形状 类似人和动物的鼻子, 能探测和识别各种气味。 而气味是多种挥发性有机化合物 (VOC)的混合物,探测和识别气味,就是去识别各种 VOC 及测定其浓度。由于电 子鼻能探测和识别各种气味,它在仪器生产、医疗卫生、制药工业、环境保护、 安全保障、 公安和军事等领域都有许多应用。 在环保领域, 电子鼻可用来检查工、 农业生产的排放物和污染环境的废物、 检控室内空气质量。 在核电站安全保障方 面,电子鼻可监控电火灾,早期发现和防止核事故,保护环境。

参考文献:

[1]赵运才,李克安.微机电系统技术及其应用.湖南理工学院学报 (自然 科学版 ) , 01. 17 No. 4, Dec.2004

[2]史 铁林 , 钟 飞何 , 涛 微机 . 微 机电 系统 及其 应用 .湖 北工 业大 学 学 报 ,2005年 10月 .

[3]张西慧,梁春广 . 微机电系统技术进展 . 河北工业大学学报 . October 2003. vol.32 No.5.

范文二：微机电系统的功能检测

班级:2011级机汽学院硕士 3班 姓名:卢嘉辉 学号:201121002847 微机电系统的性能检测及其应用

一、微机电系统概述

微机电系统是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、 微执行器、 微能源 等微机械基本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。 以微机 械为研究对象的微机电系统涉及多种学科, 主要有微机械学、 微电子学、 自动控 制、物理、化学、生物以及材料科学等基本内容,是一个多学科、高技术的边缘 学科。

简单讲,微机电系统是一种集成了微电子电路和微机械致动器的微小器件, 它可根据电路信息的指令,控制致动器实现机械操作 =还可以利用传感器接收外 部信息, 将转换出来的信号经电路处理放大, 再由致动器变为机械操作, 去执行 信息命令。可以说,微机电系统是一种获取、处理信息和执行操作的集成器件。

由于微电子技术已经非常成熟, 因此在谈到微机电系统技术时, 人们更关心 的是微机械部分的设计与加工技术。 对于微机械, 其特征之一是微机械元件的尺 寸一般都在微米级甚至更小。 其二, 用微机械进行的操作是极其微细的, 有的操 作已经达到了单个细胞乃至分子之间。 其三, 有些微机械敏感元件能敏感到单个 原子,因此可用其进行原子量级的探测。另外,微机械的结构、原理和作用规律 也与一般的传统机械不同, 它不是传统机械尺度的微缩, 有许多特殊现象和规律 有待进一步探索和研究,所以不能用对传统的认识去看待微机械。

二、微机电系统的特点

相对于传统机电系统而言,微机电系统的主要特点是:

1.器件微型化、集成化、尺寸达到纳米数量级在一个几毫米见方的硅芯片 上完成线与面的集成、 信号处理单元的集成以至和一个微型计算机集成。 从信号 产生的功能, 到执行信号和处理信号的功能都可以实现微型化和集成化, 最终把 微敏感元件、 微处理器、 微致动器和各种微机电系统都集成于一小小的硅芯片上, 并可大批量、廉价地生产。

2.功能多样化、智能化由于硅具有光电效应、压阻效应、 PN 结特性和 Hell 效应等,可用于制备光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器。由 于微细加工技术的进步,

现在往往把硅基材料微型传感器和信号处理器件与转换电路做在一起, 极大 地提高了 MEMS 的信噪比, 同时也大大提高了 MEMS 的灵敏度、 测量精度和响应速 度,并省略了复杂的接口技术,智能化程度大大加强。

3. 功能特殊性由于 MEMS 微型化、集成化、智能化程度大大加强,使得它在 许多场合发挥特殊功能。 如微米级的具有智能化的静电式微马达, 它可以进入人 的血管, 对血管堵塞起清通的作用, 这样就可以治疗脑血管病、 肝脏血管堵塞等

有关的严重疾病。

4. 能耗低、 灵敏度高、 工作效率高微机电系统所消耗的能量远小于传统机电 系统的十分之一, 却能以 10上的速度完成同样的工作, 如 5x5x0。 7mm 体积大得 多的小型泵的 1000倍,而且微机电系统不存在信号延迟等问题,可进行高速工 作。

三、微系统的性能检测

微传感器、 微执行器是构成微机电系统的基础。 微传感器无疑是微机电系统 研究中最具活力与现实意义的领域。最近统计,全球 60亿美元的传感器市场中 采用机械技术的传感器占据了大约 25%市场份额。 微系统的另一重要基础是微执 行器,有关微致动器的研究成果很多,如微电机、微陀螺、微泵微进给装置等。 但是能够象喷墨打印机用高分辨率喷墨头一样, 成功地转化为商品的并不多。 究 其原因是因为微致动器需要直接作用于现实的物质世界并与之进行能量交换, 而 微执行器本身的微小在某种程度上反映了它的脆弱性,因而限制了它的作用方 式、 作用范围和作用能力。 所以, 不论是对微执行器的设计还是对它的应用方式 都需要做进一步的探讨和研究。

微系统的性能检测可通过对系统的输入量和输出量的检测来实现, 这种方法 可以对所测试的实验样机的特征进行量化。 在微机电系统, 激励和检测对系统性 能的影响要远大于精密机械技术。 通过对输人—输出量的观测来对不同的功能元 件分别进行检测通常是不可能的, 也是没有必要的, 例如, 被动液体元件常常会 对力学特性有很大的影响。 因此, 在对力学性能检测时, 要对弹性力学和流体力 学的效应进行总的检测。 能量转换器和信号转换器经常与机械元件、 热元件相祸 合,它们之间相互有很强的影响。

从原理上讲, 微机电系统作为一种机电装置, 其检测原理与一般机电系统没 有本质的区别,不同之处在于对于一些微机电系统如微泵、微阀、微致动器等, 由于其输出量极小, 因此对测试仪器的灵敏度、 分辨率等要求更高。 而对于象微 机电加速度传感器、微机电压力传感器这样的微机电装置,其灵敏度、线性度、 频响等参数的测试则可采用常规的测试仪器和测试方法。 由于采用微机电系统技 术能够制造各种各样的微系统, 其性能要求截然不同, 因此对测试仪器和测试方 法的要求也不相同, 在进行微机电系统性能测试时, 只能根据具体的微机电系统 和性能或参数要求, 选择合适的测试仪器和测试方法。 随着各种新原理、 新结构 机电系统的出现, 必然会对测试仪器和测试方法提出新的要求, 需要研究新原理 的测试仪器和新的测试方法。

四、微机电系统在测试高密度波长中的应用

随着在波分复用(WDM )光通信系统中波长密度和比特率的不断提高,服务 质量(QoS )逐渐成为了一个非常关键的指标。

光纤布拉格光栅(FBG )传感器以及光网络都需要高速的动态光谱监测,然 而传统的测试设备扫描速率比较低或没有足够宽的波长扫描范围, 因此不能满足 要求。 新一代使用微机电系统 (MEMS ) 的测试设备则可以很好地满足高比特率测

试的要求,同时降低了成本,减小了设备尺寸。

在设计一种测试设备时,使用 MEMS 技术比使用传统技术要优越得多。 MEMS 可以集成到诸如光谱分析仪(OSA ) 、 WDM 光监测器等设备中,以便测试那些使用 传统设备无法精确观测的高速率光现象。

这是技术的自然进步,因为 MEMS 如今已经成为众多光设备的组成部分。原 因很简单:MEMS 固有的很多优势是传统技术所不具备的。它将机械组件、传感 器、 激励源以及电子器件集成在同一块硅基片上。 电子器件应用集成电路加工工 艺制作,如互补金属氧化物半导体(CMOS )或双极性 CMOS 。而微机械组件则使 用与之兼容的所谓 “微机械加工” 工艺制作, 即选择性地蚀刻掉部分硅芯片或者 添加新的结构层,从而制作出机械器件和电动机械器件。

通常我们将微电子集成电路比作一个系统的“大脑” 。而有了 MEMS ,微系统 则可以探测并控制外界环境,正如给系统加上了“眼睛”和“手臂” ,使之更具 有自己决策的能力。首先传感头通过测试机械的、温度的、生物学的、化学的、 光学的以及磁场的各种参数, 收集了众多信息, 然后由电子器件对这些数据进行 处理, 并据此通过一种特殊的方法控制激励源。 简而言之, 只要在这样一个小芯 片上加上 MEMS 器件,就能以相当低的成本极大地增强功能和提高可靠性。

MEMS 技术可以用在光谱分析仪中,使其能够更加精确地测试 WDM 信号。光 谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、 MEMS 光扫描仪以及一个光电二 极管组成。 首先光通过光纤进入光谱分析模块, 经过透镜的校准射到衍射光栅上, 衍射光再射到 MEMS 光扫描仪上并被其反射回衍射光栅。最后,衍射光栅将具有 某个特殊波长的光入射到光电二极管上,而这个特殊波长则可以通过旋转 MEMS 扫描仪连续地改变。

光谱分析模块由透镜、法拉第旋光器、衍射光栅、 MEMS 光扫描仪以及光电 二极管组成。

将法拉第旋光器合成到模块中的目的是为了消除衍射光栅的偏振依赖性, 否 则如果一束未知偏振态的光入射进来, 就必须首先对其偏振态进行测试。 模块驱 动器生成信号驱动 MEMS 光扫描仪。而光电二极管的输出信号则由一个数模转换 器转换为数字信号。 这就使得输入光的光谱信息得以数字化, 从而可以通过电脑 显示出测试结果。

它由一个反射镜、两根横梁、一个外框、以及间隔装置和背向电极组成。其 制作工艺使用了硅深反应离子蚀刻技术和氢氧化钾各向异性化学蚀刻技术。 而反 射镜、 间隔装置和背向电极都是与硅芯片分离制作的, 然后再粘贴在一起形成最 后的扫描仪。

MEMS 光扫描仪由一个反射镜、两根横梁以及外框、间隔装置、背向电极组 成。 MEMS 的嵌入大大提高了光谱分析仪和 WDM 光监测仪的测量精度。

为了降低空气衰耗对光扫描仪的影响, 在背向电极的中心进行蚀刻, 并在导 电反射镜和背向电极之间施加电压对反射镜以机械谐振频率进行静电驱动。 MEMS 的驱动电压和频率分别是 200Vp-p 和 380Hz 。扫描仪在空气中的谐振 Q 值约为 400。

当需要测试两个迅速变化的光谱时,在光谱分析模块中使用 MEMS 的优势就 非常明显地表现出来了。比如需要观察一个输出功率为 10毫瓦,频率为 193。 4THz 的分布反馈激光器的瞬态频率变化,激光器装备有自动功率反馈控制和自 动温度反馈控制电路,使用 26ms 的测量间隔,测量出了分布反馈激光器开机后 输出光的瞬态频率变化,可知其达到稳定输出需要 936ms 。可以清楚地看到频率 和输出功率的明显变化。

使用 MEMS 光谱分析仪分析分布反馈激光器开机后的瞬态频率变化,测试间 隔为 26ms 。该激光器达到稳定需要 936ms 。

改进后的光谱分析仪也可以用在光纤布拉格光栅应力传感器中。 加在传感器 上的应力变化是通过观察光栅中心频率的漂移得出的, 因此需要使用宽带光源和 光谱分析仪。当在传感器上施加频率为 75Hz 的变化应力时的测试结果。结果中 100ms 内传感器中心波长的漂移。 如此高的频率漂移如果使用传统的光谱分析仪 很难检测到。

使用 MEMS 光谱分析仪测试在光纤布拉格光栅上加频率为 75Hz 的变化应力时 谐振波长的漂移情况。

和光谱分析仪一样,在 WDM 监测器中使用 MEMS 光扫描仪可以提高对 WDM 信 号的检测精度。目前, WDM 监测器作为评价 WDM 网络性能的一种测试设备,无非 有两种设计方案, 但这两种设计方案在性价比上都不能满足现场使用的要求。 一 种设计方案是使用大量的小型光电二极管以足够的分辨率覆盖较宽的波长范围。 另一种设计方案是使用一个 MEMS 可调法布里-珀罗滤波器,这个滤波器由一个 固定反射镜和一个可动反射镜构成。这个设计方案虽然在一定程度上使用了 MEMS 技术,但也不是很有效,因为它并不能足够迅速地移动那个可动反射镜。

使用 MEMS 的 WDM 光监测器模块目前正处于研发阶段,它由准值仪、法拉第 旋光器、光栅、硅基片上的 MEMS 光扫描仪、标准具和光电二极管组成。使用了 这种模块, WDM 光监测器不管在性能上还是在成本上都能很好地满足评价 WDM 网 络性能的需要。

这个模块应用了一种直接测试技术。 输入光经透镜校准, 通过法拉第旋光器, 射到光栅上,光栅将其进行衍射,一次衍射光射到 MEMS 的发射镜上并被反射回 光栅,在光栅上被二次衍射,由此形成立特曼型光滤波器。

这个 WDM 模块和光谱分析仪模块有很多相似之处。首先, MEMS 光扫描仪都 是以机械谐振频率被静电驱动的;其次,输入光的波长可以通过 MEMS 扫描仪角 度的旋转连续、循环地改变,而这个旋转角度是可以由用户自行设定的;再次, 法拉第旋光器的用途都是为了消除光栅的偏振依赖性。不同的是, WDM 监测器模 块有一个标准具来补偿测试结果,而光谱分析模块中没有。

通过测试光电二极管的输出电压和 MEMS 扫描仪的旋转角度,就可以测试出 输入 WDM 信号的光谱。使用 MEMS 技术精确测试 100GHz 间隔的 WDM 信号的例子。 测试速率是 5。 2ms ,使用电脑进行计算,分辨率为 0。 16纳米。能探测到的光 波长间隔比使用传统的光电二极管阵列要小得多。

使用 MEMS 技术分析 100GHz 间隔的 WDM 信号, 能探测到的光波长间隔比使用 传统的光电二极管阵列要小得多。

除了能改善器件性能使之满足高比特率测试要求以外, MEMS 技术还能在缩 小器件尺寸和降低成本方面大有作为。 缩小器件尺寸的效果是非常显著的, 我们 可以看到使用了 MEMS 光扫描仪的 WDM 模块只有 90×40×20mm3。而且因为 MEMS 不使用大量光电二极管,大大降低了器件的成本。

因为这些设备经常在现场使用,所以尺寸小、成本低就成了非常大的优势。 现场技术员们到现场进行服务质量测试时再也不用带着又大又重的设备了, 这就 能大大提高工作效率。 另外, 设备价格的低廉也大大降低了维护成本, 运营商们 因此可以获取更多的利润。

随着光通信网络的继续发展, 光波长密度和比特率将不断地增加。 应用传统 测试设备已经再没有能力对这些更宽带宽的信号进行准确的测试了。

MEMS 技术提供了一种可行的方案去满足这些测试要求。 应用 MEMS 光谱分析 仪和 WDM 监测器能够以足够的速率和精度测试高速光通信网络。 MEMS 技术的应 用还可以减小设备尺寸、 提高测试方案的经济效益, 这两点在选择现场测试设备 时都是需要着重考虑的关键问题。

范文三：微机电系统的发展及其应用

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纳米技术与精密工程

第2卷第2期

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MEMS系统主要包括微型传感器、执行器和相应 的处理电路三部分.作为输入信号的自然界的各种信 息,首先通过传感器转换成电信号,经过信号处理后 (包括模拟/数字信号间的变换)再通过微执行器对外 部世界发生作用.传感器可以实现能量的转化,从而 将加速度及热等信号转换为系统可以处理的电信号. 执行器则是根据信号处理,控制电路发出的指令自动 完成人们所需要的各种功能.信号处理部分可以根据 控制电路进行信号转换、放大和计算等处理.这一系统 还能够以光、电、磁等形式与外界进行通信,并输出信 号以供显示,或与其他系统协同工作,构成一个更完 整的系统.图l给出了一个典型的MEMS系统与外部 世界的相互作用示意9.

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MEMS系统与外部世界的相互作用示意

MEMS具有如下特点”“1. (1)微型化

MEMS器件体积小,重量轻,耗能低,惯性小,谐振 频率高,响应时间短.在6.45cm2(1in2)大小的硅片 上可以实现32X32的光交叉连接(OXC),这样就可 以节省空间,使系统结构小型化和微型化,使系统更 加紧凑.MEMS与一般的机械系统相比,不仅体积缩 小,而且在力学原理和运动学原理,材料特性、加工、 测量和控制等方面都将发生变化.在MEMS中,所有 的几何变形是如此之小(分子级),以至于结构内应力 与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在.MEMS 器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子 相互作用力引起的,而不是由于载荷压力引起”J,即 牛顿摩擦定律f=肛-N已不适用于MEMS系统.

MEMS器件以硅为主要材料,硅的强度、硬度和杨氏 模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近铜和钨, 因此MEMS器件机械电气性能优良

(2)批量生产

MEMS采用类似集成电路(IC)的生产工艺和加工 过程,用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上 千个微型机电装置或完整的MEMS,使MEMS有极高 的自动化程度,批量生产可大大降低生产成本;而且 地球表层硅的含量为2站,几乎取之不尽,因此MEMS 产品在经济性方面更具竞争力.

(3)集成化

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或致动方 向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感 器阵列和微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成 在一起,形成复杂的微系统,微传感器、微执行器和微 电子器件的集成可制造出高可靠性和稳定性的微型机 电系统.

(4)方便扩展

由于MEMS技术采用模块设计,因此设备运营商 在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量, 而不需要预先计算所需要的器件/系统数,这对于运 营商是非常方便的.

(5)多学科交叉

MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控 制、物理、化学和生物等多种学科,并集中了当今科学 技术发展的许多尖端成果.通过微型化、集成化可以探 索新的原理、新功能的元件和系统,将开辟一个新技 术领域.

2

MEMS基础研究内容

2.1理论基础研究

理论基础研究”““是围绕着微尺度和学科渗透 这些核心问题进行和展开的.当构件或系统的尺寸缩 小到~定范围内时,许多物理现象与宏观世界相比有 很大差别,甚至发生质的变化,显著特征表现在力性 质的改变、理化反应、摩擦等方面.

在微小尺度领域,与物体基本尺寸成高次方(三 次方)的惯性力、电磁力会随着基本尺度的减小而快 速下降,与基本尺寸成低次方的粘着力、弹性力、表面 张力、静电力等减小的速度会慢得多,比高次方的力 相对增大,在许多情况下体积力可以忽略,表面力成 为对系统性能起主导影响作用的因素.如表面基本尺

寸￡为1mill的构件,当基本尺寸减小到1p,m时,体

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?120? 纳米技术与精密工程 第2卷第2期

术、inkjetting法、模压法和浮调技术等.MEMS设计时 可以采用以上各种方法去加工MEMS.另外圆晶片键 合和真空封装MEMS技术也是MEMS目前采用的重 要加工工艺,而LIGA微机械加工工艺由于需要昂贵 的同步辐射x射线源,且掩膜制作工艺复杂,因此目 前很难推广.

(4)MEMS标准加工线(foundry)

MEMS的生产加工除在MEMS产品工厂实现外, 也和集成电路一样有许多代加工线,为MEMS设计公 司及其他公司提供MEMS代加工服务,有一些著名的 MEMS商品化产品或样品就是在foundry线实现,现在 国外MEMS foundry线主要有以下公司:BF G00d rich Advanced Micro Machine、CMP等.多数MEMS foundry 具有加工MEMS全套设备的能力,然而由于MEMS种 类繁多,材料和工艺范围很宽,不可能包含全部设 备.美国国防远景研究计划局(DARPA)两年前建立了 一个新的MEMS代加工服务组织,称作MEMS-Ex— change.这个组织与各个工业和产品加工商签订合同, 为MEMS加工提供广宽的服务范围,MEMS设计师设 计的产品可在MEMS-Exchange协调下到各个生产线 加工.

2.2.4封装技术

封装技术是MEMS产品中最关键的技术之一。 与集成电路一样,MEMS需要环境防护、电信号引 出端、机械支撑和热量通路.但MEMS封装更复杂,还 有许多与集成电路不同,有时需要与周围环境隔离, 有时则需要与环境接触,以便对指定的理化参数施加 影响或测量;有的MEMS封装要求在特殊的环境下进 行,如加速度计;有一些封装则需要在真空条件下进 行,避免振动结构的空气阻尼或热传导作用.现在人们 已经认识到MEMS封装的重要性,MEMS封装比集成 电路复杂得多,而且MEMS封装需要随产品要求而 定,封装和测试费用占MEMS产品成本的70%以上. 目前有多种形式的MEMS封装可满足MEMS商品化 的需求.随着人们对MEMS封装的El益重视,新型的 封装技术不断出现,其中较有代表性的是采用倒装焊 技术的MEMS封装”“、上下球栅阵列封装技术和多芯 片模块封装技术”“.Cincinnati大学的光电MEMS器 件采用倒装焊封装‘”1.

2.2.5测试技术

MEMS的测试技术是MEMS开发与生产中的重要 组成部分.

通过对MEMS测试可以获得微机械结构及整个 MEMS系统的各项参数,包括几何量、力学量、光学 量、电磁学量、声学量等.MEMS的测试与集成电路相 比困难更大,除需测量电信号之外,还包含许多机械 特性及其他物理参数.

3MEMS的应用

MEMS技术的应用范围广泛””,MEMS技术是 一种典型的多学科交叉的前沿研究领域,几乎涉及到 自然科学及工程技术的所有领域,如电子技术、机械 技术、物理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学 等.与不同的技术结合,往往便会产生一种新型的 MEMS器件.

3.1微型传感器

微型传感器是MEMS最重要的组成部分.1962年,第一个硅微型压力传感器的问世开创了MEMS技 术的先河,并一直是推动MEMS技术不断进步的动 力,同时MEMS技术的应用又使传感器的性能提高了 几个数量级.现在已经形成产品和正在研究中的微型 传感器涉及领域有压力、力、力矩、加速度、速度、位置、 流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓 度和生物浓度、微陀螺、触觉传感等.现在,微型传感器 正朝着集成化和智能化的方向发展.

3.2微型执行器

微型执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微 阀门和微泵等.把微型执行器分布成阵列可以收到意 想不到的效果,如可用于物体的搬送、定位.微型执行 器的驱动方式主要有静电驱动、压电驱动、电磁驱动、 形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等.微型 电机是一种典型的微型执行器,可分为旋转式和直线 式两类.

在MEM￥2000年会上,瑞士的Dellmann L等人报 道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机(E. 1astic Force Motor),力矩高达l p,N?am,而功耗仅10 p,W.EFM的工作原理是定子产生垂直振动,然后由转 子转换成转动.定子由ZnO压电层在谐振频率下产生 垂直运动,工作频率为20kl-Iz,典型激励电压为4V. 转子弹性束将垂直运动转换成转动.与过去的定子相 比,这种新型设计使模片振动的第一种模式得到应 用,从而提高了振动的机械幅度.

3.3微型光机电器件和系统

随着信息技术、光通信技术的发展,宽带的波分 复用光纤网络将成为信息时代的主流,光通信中光器 件的微小型化和大批量生产成为迫切的需要.MEMS

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2004年6月 林忠华等:微机电系统的发展及其应用 ’121。

技术与光器件的结合恰好能满足这一需求.由MEMS 与光器件融合为一体的微型光机电系统(MOEMS)将 成为该领域中的一个重要研究方向,2000年,美国加 利福尼亚大学电气工程学院的Guo-Dung J su等人得 到美国DARPA支持,使用表面微机械技术研制了高 性能单晶硅反射镜二维(2D)光扫描器,反射镜在厚 的(大于lO仙m)绝缘硅(S01)上形成,而且连接到表 面微机械驱动器.

3.4微型机器人

随着电子器件的不断缩小,组装时要求的精密度 也在不断增加.现在,科学家正在研制微型机器人, 能在桌面大小的地方组装如硬盘驱动器之类的精密小 巧的产品.日本通产省的10年计划就是一例.军事部 门对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣.日本已制作 出利用太阳能电池的微小机器人,它只有钱币大小. 太阳能电池产生的电力驱动马达使机器人向着光亮的 地方前进.

3.5微型飞行器

微型飞行器一般是指长、宽、高均小于15em,重 量不超过120g,在成本可接受的情况下,研制的一种 有军事用途的飞行器.这个飞行器的设计目标是16 km的巡航范围,并能以30~60km/h的速度连续飞 行20一30min.美国陆军把这种微型飞行器装备到陆 军,它被广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活 动.MIT(麻省理工学院)新设计的微型飞行器,预计 其飞行速度为30一50km/h,可在空中停留l h,具有 侦察及导航能力.

3.6微型动力系统

微型动力系统以电、热、动能和机械能的输出为目 的,以毫米到厘米级尺寸产生1w到10w级的功率. MIT从1996年开始了微型涡轮发动机的研究.它们研 制的涡轮发动机利用MEMS加工技术制作,主要包括 空气压缩机、涡轮机、燃烧室、燃料控制系统(包括泵、 阀、传感器等),以及电动机/发电机.该校已在硅片上 制作出涡轮机模型,其目标是1em直径的发动机产 生10一20w的电力或0.05—0.1N的推力,最终达 到100W.M1T正在研究一种微型双组火箭发动机, 它由5—6片硅片叠在一起组成.硅片上制作有燃烧 室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道等.整个发动机约长 15mm、宽12illm、厚25mm.使用液态氧和乙醇作燃 料,预计能产生15N的推力,推力重量比是目前大型 火箭的lo一100倍.美国TRW公司、航空航天公司和 加州理工学院(CIT)组成的研究小组提出了一个“数 字推进概念”方案.在这个方案中,将有104—106个 微推进器被集成到一块直径为10cm的硅片上,并已 研制出了3mill×5mm的微推进器阵列.

4国内外MEMS技术的状况

综合分析文献[29~35],可知国内外MEMS技术 的发展状况.

4.1国外MEMS技术的发展现状

工业发达国家对影响2l世纪社会经济发展和国 家防务的MEMS技术的发展十分重视,在原有将传感 器列为优先发展的关键技术基础上,又制定了继续把 MEMS作为关键技术发展的政策.美国确定军事应用 为其主要方向,侧重于以惯性器件为代表的MEMS传 感器的研究;日本重点发展进人工业狭窄空间微机器 人、进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂;欧洲则 重点发展uTAs(Micro Total AnMysis System)——全微 分析系统,制定了Eurimus计划和Eumpractiee计划. 重视基础技术建设的同时十分重视设计、材料、加工、 封装、测试等技术的发展;美国除在研究单位建立独立 的加工实验室外,还特别建立了专门为研究服务的加 工基地,如MCNC、SANDIA国家实验室等;德国也建 立了BOSCH实验室.

MEMS的市场需求上升.目前部分器件已经实现 了产业化,如微型加速度计、微型压力传感器、数字微 镜器件(DMD)、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等, 应用领域十分广泛.据统计,1995年美国传感器市场 销售额中,微电子机械传感器销售额为15亿美元. 2002年的销售额达到380亿美元,相关市场将达到1万亿美元.最近,美国朗讯公司开发的基于MEMS光 开关的路由器已经试用,预示着MEMS发展的又一高 潮来临.

国外MEMS技术的发展已有30多年历史,其发 展的特点如下.

(1)国外现已形成三种类型的生产规模,大型企 业大批量生产100万只/年以上产品,有的企业批量 生产能力在不断提高,年生产能力超过1000万只以 上;中等规模的企业生产能力为1—100万只/年;一些 研究所根据特殊要求生产小批量产品,年产量在1万 只产品以下.欧洲在第四和第五框架计划中为加强 MEMS的深入发展,根据地域特点和市场需求建立了 6个加工中心和1个竞争中心.

(2)产品功能进一步扩展和完善,MEMS器件正 在向微电子部件和系统演变,不仅具有信息转换的功 能,而且具有自检、自校、量程转换、远程设定和无线

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?122? 纳米技术与精密工程 第2卷第2期 通讯等智能化功能,更能适应多种测量的控制需要.

如汽车压力传感器已不再是单独分立的元件,它和其 它部分共同构成压力检测系统,如Motorola,NT Sen— sot等公司,其中Motorola公司量程为100kPa系列的 压力传感器性能为4.487~4.813V满量程输出,精 度±1.5%FS,线性±0.3%FS.

4.2国内MEMS技术的发展状况

中国的MEMS研究始于1989年,在国家“八五”、 “九五”计划期间,得到了国家自然科学基金委员会、 科技部、教育部、中国科学院和总装备部的积极支持, 经费总投入约为1.5亿人民币.经过十几年的发展, 我国在多种微型传感器、微型执行器和若干微系统样 机等方面已有一定的基础和技术储备,初步形成了几 个MEMS研究力量比较集中的地区.包括京津地区, 如清华大学、北京大学、中科院电子所、信息产业部电 子13所、南开大学等;华东地区,如中科院上海冶金 所、上海交通大学、复旦大学、上海大学、东南大学、浙 江大学、中国科技大学、厦门大学等;东北地区,如信 息产业部电子BF所、啥尔滨工业大学、中科院长春光 机所、大连理工大学、沈阳仪器仪表工艺研究所等;西 南地区,如重庆大学、信息产业部电子24所、44所和 26所等;西北地区,如西安交通大学、航空618所、航 天771所等.在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量 微型传感器和致动器、微流量器件和系统、生物传感器 和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造 工艺等方面已取得一定成果.现有的技术条件已初步 形成MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系,为 保证我国的MEMS技术进一步发展提供了较好的平 台.“十五”期间,MEMS正式列入863计划中的重大 专项,加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知 识创新体系、基金委和科技部新的立项以及地方和企 业的投入,预计总经费可达3亿人民币必上.针对国 际MEMS发展趋势和未来的产业化前景,结合国家竞 争前核心技术发展战略,围绕生物化学分析、工业自 动化、信息技术等行业的社会经济发展需要,以发展 我国MEMS产业化基础的关键技术作为切人点,掌握 MEMS相关的设计、加工、测试、封装、装配和系统集成 等方面的具有自主知识产权的理论方法和关键技术; 开发出若干小批量、多品种、高质量的MEMS器件及 系统;逐步建立起我国MEMS研发体系和产业化基 地,提高我国在MEMS领域的核心竞争力,为推动 MEMS的可持续发展和产业化打下良好基础,并在某 些方面进入国际领先水平. 5MEMS技术的展望

5.1研究方向多样化

MEMS技术的研究日益多样化,涉及的领域主要 包括惯性器件如加速度计与陀螺、AFM(原子力显微 镜)、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和 微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型 机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器 件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件 等16个发展方向.内容涉及军事和民用等各个应用 领域.

5.2新材料的研究与开发

MEMS的材料发展,今后的重点是研究开发将普 通材料合成用于MEMS的技术,开发两种以上材料的 合成,如在玻璃和金属中加入无机纤维;具有金属和 半导体纳晶分布的聚酯玻璃基材料,以及响应快及发 射特性好的光材料等.

5.3加工工艺多样化

加工工艺多种多样,如传统的体硅加工工艺、表 面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合工艺相结 合、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚胶与电镀相结合 的金属牺牲层工艺、MAM0s(金属空气MOSFET)工 艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等,而具体的加 工手段更是多种多样.

5.4系统单片集成电路化

一般传感器的输出信号(电流或电压)很弱,若将 它连接到外部电路,则寄生电容、电阻等的影响会掩 盖有用的信号,因此采用灵敏元件外接处理电路的方 法已不能得到质量高的器件,只有把两者集成在一个 芯片上,才能具有较好的性能.

5.5MEMS器件芯片制造与封装应统一考虑

电气机械封装是商品化MEMS产品的关键因素, 封装成本约占产品总成本的20%一90%,封装形式取 决于它的类别和用途.MEMS器件与Ic芯片的主要不 同在于,MEMS器件芯片一般都含有运动部件,比较 脆弱,在封装前不利于运输,所以MEMS器件芯片制 造与封装应统一考虑.

5.6目前MEMS技术存在的问题

笔者认为,在微观领域,不能完全采用宏观情况 下的各种定律与公式,如虎克定律、牛顿摩擦定律、弹 性力学相关定律、材料力学的相关定律、流体运动定 律、N-S方程等.作者认为这些公式必须修正才能用到 MEMS技术中;还有其他参数,如材料力学的杨氏模

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微机电系统的发展及其应用

作者:林忠华 , 胡国清 , 刘文艳 , 张慧杰 作者单位:厦门大学机电工程系,厦门,361005

刊名:纳米技术与精密工程

英文刊名:NANOTECHNOLOGY AND PRECISION ENGINEERING年,卷(期):2004,2(2)被引用次数:

10次

参考文献(35条)

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相似文献(10条)

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2007,5(4)

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⑴室温基底上溅射沉积的Ti-Ni合金薄膜均为非晶无序结构,经过450℃~600℃退火后,薄膜发生晶化。退火态Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及 Ti50.9Ni49.1薄膜的基体分别为B2母相、R相及B19’马氏体相。当在较高温度下(500℃以上,包括500℃)退火时,非等原子比Ti-Ni合金薄膜将从基体中 析出第二相。Ti50.gNi49.1薄膜的析出相为Ti2Ni,Ti47.8Ni52.2及Ti48.7Ni51.3薄膜的析出相为Ni4Ti3。

⑵随着退火温度的提高,Ti47.8Ni52.2薄膜的(逆)马氏体相变特征温度(As、Af、Ms、Mf)上升;Ti48.7Ni51.3薄膜的As、Af、Ms、Mf先降低后上升 ,R相变温度(Rs、Rf)近似恒定;Ti50.9Ni49.1的马氏体相变温度(Ms、Mf)对退火温度并不敏感,逆马氏体相变温度(As、Af)则随退火温度的提高而上升 。对溅射沉积Ti-Ni二元合金薄膜来说,较高的位错密度是形成R相变的决定因素,合金成分与第二相的析出并不是发生R相变的必要条件。溅射功率的提 高,将减少Ti-Ni合金薄膜的位错密度,抑制R相变的发生。

⑶分析沉积态Ti-Ni合金薄膜在不同升温速率下的DSC曲线可知,非晶态Ti-Ni合金薄膜的非等温晶化呈现一步晶化过程,晶化温度在450~550℃之间

,且随着升温速率的增加,晶化温度向高温方向移动。不同成分Ti-Ni合金薄膜的晶化动力学Kissinger计算表明,随着薄膜成分与Ti、Ni等原子比的偏 离不断增加,晶化激活能逐渐提高,稳定性上升。

⑷近等原子比Ti-Ni合金薄膜(49.88at.%Ti:50.02at,%Ni)在420℃不能发生等温晶化,随着退火温度的提高,Ti-Ni合金薄膜将呈现B2母相结构。 XRD分析表明在425℃~450℃晶化后,Ti-Ni合金薄膜具有很强的择优取向,呈现(110)丝织构。根据原位XRD结果,借助JMA模型,计算得知Ti-Ni合金薄 膜的Avrami指数在2.0~2.4之间,晶化激活能为358.1kJ/mol。由此认为Ti-Ni合金薄膜的等温晶化遵循非均匀形核机制,显示界面控制的一维晶粒形核 和长大特征,并呈现柱状的微观结构。

⑸以原子力显微镜和纳米压痕仪的划痕系统分别表征了Ti-Ni合金薄膜的表面形貌和膜基结合强度。当在450-600℃温度区间内退火后,Ti-Ni合金薄 膜试样的表面粗糙度(Rq)随退火温度的增加逐渐升高。原子力显微镜的形貌分析表明这一现象可归因于Ti-Ni合金薄膜晶化过程中,柱状晶核的生长。经 热处理工艺后,Ti-Ni合金薄膜B2母相的Rq值在1.2~3.0之间,R相的Rq值在5.5~9.0之间,马氏体相的Rq值在8~16之间。此外比较纳米划痕试验中不同 相结构Ti-Ni合金薄膜的临界法向载荷可知,在(100)单晶Si基底上Ti-Ni合金薄膜B2母相的膜基结合强度最大,马氏体相的膜基结合强度最小,R相的膜 基结合强度介于两者之间。

⑹以纳米压痕技术表征Ti-Ni合金薄膜纳米尺度的伪弹性和力学性能。分析纳米压痕试验结果可知,退火态Ti47.8Ni52.2、Ti48.7Ni51.3及 Ti50.9Ni49.1薄膜的显微硬度和弹性模量依次增大,这与它们基体相(分别为B2母相、R相和马氏体相)的晶体结构和滑移体系有关。此外退火态Ti-Ni合 金薄膜的显微硬度及弹性模量一般随退火温度的提高而逐渐增加。但值得注意的是Ti48.7Ni51.3薄膜在500℃退火时,薄膜显示最大的显微硬度和弹性模 量,这与Ni4Ti3相的析出效应有关。

⑺沉积态Ti-Ni合金薄膜和退火态Ti48.7Ni51.3、Ti50.9Ni49.1薄膜不显示纳米伪弹性。Ti47.8Ni52.2薄膜由于基体为B2母相,逆马氏体相变起始温 度在室温以上,将在纳米压痕试验中展示完整的伪弹性过程。当Ti47.8Ni52.2薄膜在450℃-600℃退火时,随退火温度的提高,薄膜的伪弹性回复率η先 增大后减小,其值在44.9%~72.7%之间。此外,Ti47.8Ni52.2薄膜的η值与施加载荷的大小也有关。当最大载荷为10mN时,550℃退火的

Ti47.8Ni52.2薄膜伪弹性回复率η达到72.7%。研究表明Ti-Ni合金薄膜的伪弹性回复率高于Ti-Ni块体合金的伪弹性回复率(均在45%以下)。

⑻在高温基底上沉积得到具有(110)织构的沉积态Ti-Ni合金薄膜,考察了薄膜分别在550℃、600℃和650℃的氧化行为。发现Ti-Ni合金薄膜在 550℃、600℃和650℃的等温氧化动力学遵循抛物线规律,并随着氧化温度的提高,氧化速率常数增大。氧化Ti-Ni合金薄膜由TiO2,TiNi3和B2相组成。 随着氧化温度的提高,TiO2和TiNi3的含量增加,B2相的含量减少。对Ti-Ni合金薄膜氧化膜的俄歇成分-深度分析表明,氧化膜由最外层和富Ni层组成 ,在这两层中均含有TiO2,且TiO2含量随着薄膜深度的增加而递减。TiNi3和B2相皆有可能分布在这两层之中。随着氧化温度的提高,Ti-Ni合金薄膜氧 化膜的最外层和富Ni层的厚度不断增加。此外,高温氧化使Ti-Ni合金薄膜表面趋于平滑,随着氧化温度的提高,Ti-Ni合金薄膜的表面粗糙度逐渐降低 。

8.会议论文 林谢昭 . 应济 基于模态分析的静电驱动圆薄板宏模型建立方法 2006

本文为了研究静电致动圆板静态和动态特性,在模态分析法的基础上,利用多维非线性函数的Levenberg-Marquardt拟合方法,将板的动能、弹性能和 电容写成以模态坐标表示的解析式.结合Hamilton原理,导出静电致动微圆板的动力学特性方程的宏模型.以此为基础研究了板的静态特性及其三角波、方 波信号激励下的动态响应.结果表明,模态分析方法能够考虑到残余应力的影响,所建立的动态宏模型不仅大大地减少了计算费用,而且具有足够的仿真精 度.

9.期刊论文 杨卓青 . 丁桂甫 . 蔡豪刚 . 刘瑞 . 赵小林 . Yang Zhuoqing. Ding Guifu. Cai Haogang. Liu Rui. Zhao

Xiaolin 微机电系统惯性电学开关的设计与制作 -中国机械工程 2008,19(9)

基于非硅表面微加工技术,给出了微机电系统惯性电学开关的一种新式设计,该设计采用两端悬空固定的多孔弹性梁作为固定电极,由连体蛇形弹簧连 接悬空的质量块作为可动电极,可动电极位于支撑层和弹性梁之间,该结构在保证微开关具有足够灵敏度的同时,可有效提高两电极间的接触效果和器件的 抗冲击保护.使用成本较低的多次叠层电镀镍的方法制作了设计的微型惯性开关,并对其元器件进行了试验测试,结果表明:开关在100g加速度作用下的响 应时间和接触时间分别约为0.40ms和12μs,与有限元动力学仿真结果吻合较好,表现出较高的灵敏度和良好接触效果.

10.期刊论文 张长富 . 蒋庄德 . 卢德江 . 任泰安 . 王久洪 . Zhang Changfu. Jiang Zhuangde. Lu Dejiang. Ren Taian.

Wang Jiuhong基于三维特征的微机电系统器件结构设计方法 -西安交通大学学报 2007,41(5)

提出了一种表面硅微器件结构设计方法,解决了目前微机电系统(MEMS)结构设计中直观性差、工艺难度大等问题.该方法将三维特征建模的设计思想 运用到MEMS设计中,在建立三维特征库的基础上实现了器件结构的快速直观设计.通过三维设计软件SolidWorks的用户接口开发的应用程序不仅实现了从 器件结构中自动提取掩膜版和工艺流程,而且消除了人工设计掩膜版和工艺流程的繁琐过程.应用实例表明,与传统的通过掩膜版设计MEMS器件结构的方法 相比,该方法简洁、高效,更符合设计者所看即所得的思维方式.同时,SolidWorks软件作为开发MEMS辅助设计工具的基础平台,可以省去开发几何造型模块 的任务,从而为新一代MEMS辅助设计工具的开发提供了新的思路.

引证文献(10条)

1. 孙百香 . 董恩生 . 张立静 基于MEMS技术的微型组合导航传感系统研究 [期刊论文]-电子测试 2008(3)

2. 叶军君 . 席文明 . 姚斌 . 孙道恒 磁悬浮微装配系统理论模型及实现技术 [期刊论文]-纳米技术与精密工程 2007(1)

3. 丛延 . 徐敏 . 孟轩 基于MEMS的细长体非对称涡控制机理研究 [期刊论文]-科学技术与工程 2007(10)

4. 刘丹 微加速度计多学科层级优化设计与仿真分析 [学位论文]硕士 2007

5. 喻言 . 欧进萍 无线加速度传感器的MEMS芯片ADXL202应用设计与集成 [期刊论文]-仪表技术与传感器 2005(8)

6. 张昱 . 潘武 MEMS封装技术 [期刊论文]-纳米技术与精密工程 2005(3)

7. 胡雪梅 . 吕俊霞 微机电系统的发展现状和应用 [期刊论文]-机电设备 2005(6)

8. 贾宝贤 多功能微细特种加工系统及关键加工技术的研究 [学位论文]博士 2005

9. 杨长勇 化学铸(镀)制备Ni-P合金微构件的研究 [学位论文]硕士 2005

10. 邢昊 三臂微操作系统的研究与分析 [学位论文]硕士 2005

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_nmjsyjmgc200402008.aspx

授权使用:北京航空航天大学(bjhkht),授权号:a010bd7c-91c0-4d24-8998-9e68009e17ea

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范文四：微机电系统的研究及其应用

Harbin Institute of Technology 机电工程新技术 大作业（1）

题 目：微机电系统的研究及其应用 院 系： 机电工程学院

姓 名： 孙晓磊

学 号： 1130810517

哈尔滨工业大学

2016年11月25日

微机电系统的研究及其应用

摘 要：微机电系统是源于微电子加工技术，融合了微机械制造、传感及微控制于一体的系统。其特征尺

寸极小，学科交叉广泛。学科分类涵盖了机械、力学、光学、流体、电磁学、生物学等各领域，在民品和军品领域有许多热点应用。本文概述了微机电系统(MEMS)的发展历史及基本技术原理，介绍了MEMS 技术在航空航天、医药卫生、光学器件、微能源等方面的应用情况，并对其以后的发展作出展望。

关键词：微机电系统；MEMS ；微纳技术

1 微机电系统发展概况

微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS) 是通过微制造技术将机械单元、传感器、执行器件和电子元件整合到一片微基板上的系统装置。这种新兴的机电系统为传统机械科学的发展指明了一个重要的前进方向。微机电系统的概念起源于1959年美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard.P.Feynman 提出的微型机械的设想，其后1962年出现了第一个硅微压力传感器。1988年，世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校，该电机直径仅为(60～120)μm，为世人瞩目，由此产生了世界微机电系统技术研究的一个阶段性标准。1989年，NSF(National Science Foundation) 在研讨会的总结报告中提出了“微电子技术应用于电子、机械系统”。自此，MEMS 成为一个新的学术用语。美国的研究是在半导体集成电路工艺技术基础上扩展而来的，称之为MEMS 。与此同时，我国的研究人员在科技部、国家自然基金委，教育部和总装备部的资助下，追踪国外的微型机械研究，积极开展MEMS 的研究。现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件，微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划中。已有近40个研究小组，取得了一些研究成果。广东工业大学与日本筑波大学合作，开展了生物和医用微型机器人的研究，已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器，其位移范围为10μm×10μm, 位移分辨率为0. 01μm，精度为0. 1μm。长春光学精密机器研究所研制出直径为3mm 的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统。上海交通大学研制出直径2mm 的电磁电机。南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等。

2 微机电系统关键技术

MEMS 工艺技术研究中有3大主流技术，即以美国为代表的硅微机械加工技术、日本以精密加工为特征的微加工技术和德国的LIGA 技术。此外，电子溅射加工(EDM)，衬底结合和光刻技术在MEMS 制造中也有广泛应用。针对不同的应用背景，有时多种工艺同时应用于MEMS 制造中。

2.1 硅微机械加工技术

硅基微机械加工技术源于集成电路加工技术，将传统的集成电路加工技术由二维平面加工发展成为三维立体加工技术，其最关键的加工工艺主要包括体微加工技术、表面牺牲层技术和键合技术等。硅基微机械加工技术利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS 器件，已成为目前MEMS 的主流技术。

体微机械加工是重要的MEMS 加工技术之一。在体微机械加工过程中，腐蚀衬底内部的部分材料形成独立的机械结构，或者一些独特的三维结构。根据腐蚀剂的不同，体硅腐蚀技术分为湿法腐蚀和干法刻蚀，即采用液态化学腐蚀剂的湿法腐蚀工艺，采用气态和等离子态

的干法腐蚀工艺。体微加工工艺的优势在于可获得较大几何尺寸的MEMS 结构，机械性能好，但与集成电路工艺不易兼容。

表面牺牲层技术(又称为表面微机械) 是通过外延生长热氧化、化学淀积、物理淀积、光刻、溅射和腐蚀等工艺在基体表面构建MEMS 结构。最成功的表面牺牲层技术目前采用多晶硅薄膜作结构材料、二氧化硅薄膜作牺牲层材料，该工艺为薄膜工艺，与集成电路工艺兼容，易将机械结构与处理电路批量集成制造。

键合技术是将MEMS 器件中两种或多种晶格失配的材料集成为一体，制造新型器件和微型元件的一种技术，主要包括直接键合、阳极键合、共熔键合等。键合技术虽不是微机械结构加工的直接手段，却在微机械加工中有着重要地位。它常与其他手段结合使用，既可对微结构进行支撑和保护，又可实现机械结构之间或机械结构与集成电路间的电学连接。该工艺最大特点在于可实现硅一体化微机械结构，不存在边界失配的问题。

2.2 精密微机械加工技术

以日本为代表的微加工技术利用传统机械加工手段，用大机器制造小机器，再用小机器制造微机器。此加工方法可分为超精密机械加工及特种微细加工两大类。超精密机械加工以金属为加工工件，用硬度高于加工工件的工具，对工件材料切削加工，所得的三维结构尺寸可在0.01mm 以下。此技术包括钻石刀具微切削加工、微钻孔加工、微铣削加工及微磨削与研磨加工等。

特种微细加工技术是利用电能、热能、光能、声能及化学能等能量的直接作用，实现小至逐个分子或原子的切削加工。常用的特种超精密微机械加工技术包括能束微机械加工、电化学加工、微细电火花加工、超声波微加工、光成型加工、扫描隧道显微镜加工及各种复合加工技术。

超精密机械加工和特种微细加工技术的加工精度已达微米、亚微米级，可批量制作其他加工方法无法制造的复杂三维微结构器件，但其加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控制性有待提高。

2.3 LIGA技术

LIGA 技术是由德国Karlsruhe 核研究中心于1986年成功开发的，是利用X-射线光刻、电铸成型和塑料铸模等方法进行操作的非硅基微机械加工技术，被认为是MEMS 制备技术中极有发展前途的一种。它最初是用来批量生产微型机械部件，目前主要用来加工大深宽比的精细三维结构，如已利用该技术制备的光耦合器、微加速度计、微射流计等。LIGA 技术的优越性在于可加工出较大纵横比的微构件，其加工温度低，可用来加工各种金属、塑料和陶瓷等材料，这使得它在微传感器、微执行器等微结构加工中显示出突出的优点。然而昂贵的X 射线源——同步回旋加速器和复杂的掩膜制造工艺限制了它的广泛应用。为此，人们开展了一系列准LIGA 技术的研究，即在取代昂贵的X 光源和特制掩膜板的基础上开发新型三维微加工技术，其中有基于厚胶紫外光刻的UV-LIGA 技术，基于硅深槽刻蚀的DEM 技术和基于激光刻蚀的Laser-LIGA 等。目前准LIGA 技术得到长足的发展，利用该工艺可制成镍、铜、金和银等金属结构。准LIGA 技术工艺操作简单，成本费用相对降低，但却以牺牲高准确度、大深宽比为代价;UV-LIGA 厚胶光刻可达到毫米量级，但深宽比不超过20;DEM 技术刻蚀深宽比较大，但一般深度不超过300μm;Laster-LIGA 技术加工精度在一定程度上受聚焦光斑影响。因此准LIGA 技术还有待更进一步的研究和改进。

3 微机电系统应用

微电子机械系统的特征是超小型化，尺寸可以做到微米和亚微米。其最大特点是制作工艺与集成电路相同，能批量生产。主要材料是单晶硅、多晶硅和氮化硅等。微机电系统研制已取得很多成果。多种尺寸为毫米到微米量级的微机械零部件，如微梁、微探针、微齿轮、凸轮、微弹簧、微沟道、微喷嘴、微锥体、微轴承、微阀门和微连杆等都已研制出来。温度、磁场、光强等传感器和流量计、加速度计等很多已实用化。目前，这些已经成熟的微机电产品已经在各领域得到了实际应用。

3.1 航空航天

在飞机和载人航天器上应用的各种传感器数量很大，若采用微型集成传感器，体积、质量、耗电功率将减少很多。对航天器来说，仪表系统的体积质量大大减少后，运载效益将非常可观。MEMS 技术首先将促进航天器内传感器的微型化，使之节能、降低成本和大幅度提高系统可靠性。如在运载火箭和导弹上采用微型温度传感器、压力计等。由于这些传感器体积和能耗很小，可大量分布，使系统进行更精确的控制，在欧洲阿里安娜火箭上已采用。而微机电惯性仪表将推动惯性导航技术一场新的革命。微机电惯性仪表体积为立方毫米级，质量为数克，能耗一般小于2W ，过载大，一般为103g 以上，启动时间约1s ，成本低，工作寿命长达105h ，易于实现数字化和智能化，可进行微惯性系统集成。

3.2 医药卫生

应用于生物医学领域的微机电系统通常称为生物微机电系统(Bio-MEMS)。传统上把在数平方厘米大小的硅片等材料上加工出的应用于生化分析的生物微机电系统称为生物芯片(Bio-Chip)。以生物芯片为核心的微全分析系统(Micro Total Analysis Systems ，LTAS) 是微机电系统当前的研究热点之一。

Bio-MEMS 由于具有功能独特、体积小、重量轻、批量生产成本低等优点，在生物医学领域应用很广。如皮下注射微型硅针、一次性血压计、可植入微量供药系统、细胞微夹钳等。应用Bio-MEMS 技术不仅可以对现有的生物医疗器械进行改进和完善，而且可以创造出新的分析操作手段，极大地推动医疗事业和生物工程技术的发展。瑞典Linkoping 大学的EdwinW.H.Jager 等发明了可用于操纵单个细胞的微型机器人。这种微型机器人能够在(250×100)μm2的范围内抓取、举起、移动、放置微米尺寸的物体，并且能在盐溶液、血浆、尿液以及细胞培养介质中工作，将被用作微小介入手术的工具，或者从生物样品中捕捉单个细胞、细菌、多细胞生物体等。美国Cornell 大学的Ricky.K.Soong 等把单个的生物分子电机和纳米尺度的无机系统集成起来，构成了用分子电机驱动的混合纳米机械器件。

3.3 光学器件

微机电系统技术利用制作硅芯片的微细加工工艺，如晶体各向异性湿腐蚀、表面微硅工艺以及各向异性干腐蚀、微铰链的弯曲结构、仿形结构等制作立体微结构的方法，可以实现超小型精密立体微结构和把许多微结构组合成系统。因此，微机电系统技术在制作光学器件中大有用武之地。

3.4 微能源

对于微机电或包含微机电的器件，常规能源用一般的方法很难高效地完成供能任务。比如一种进入人体内部的胶囊型微机电器件，本身就只有普通内服胶囊大小，如果使用现有的常规能源，根本无法想像。因此，微能源也成为了微机电技术应用的一个非常重要的领域。

目前正在研制的微能源种类很丰富，主要有微型内燃机系统，微燃料电池，微蓄电池等。 微型内燃机系统是主要使用碳氢燃料的微能源提供者。因为其燃料有很高的能量密度，所以内燃机与化学电池相比有更大的功率输出。微涡轮式燃料发动机系统的结构与大型涡轮燃料发动机相似，包括:微型燃烧室，微型压缩机叶轮，微型涡轮。工作的原理是:液态的碳氢化合物燃料在微燃烧室中被点燃、燃烧，燃气推动微涡轮机的叶轮对外做功，带动微发电机输出电能或提供推进动力; 微涡轮机的叶轮同时驱动压缩机，压缩机吸入空气或助燃剂，保证燃料持续燃烧。

燃料电池有较高的热机效率，没有污染，可以安静和连续地工作，是一种非常有前景的微能源。一般微型燃料电池的基本结构就是集成了微型燃料罐、微型燃料转化器、微型燃料电池和各种温度、流量微传感器、微阀门的体系。目前，美国正在研制微型氢空气燃料电池。这种电池以氢为燃料，因而不需要燃料转化器。这种燃料电池的研制目标是把微型的储氢系统和发电单元也集成上去，并能够产生(10～15) mW 的输出功率。

微蓄电池的开发也在微能源的研究中占有重要地位，目前实际使用中以锂电池居多。锂电池有较高的比能量((100～200) Ah /kg ) 和优良的循环使用性能。微型锂蓄电池一般都制成薄膜电池的形状。对于全固态的锂蓄电池，可以利用各种沉积技术，制成各种二维形状的电池，就能够方便地与微机电器件集成在一起。或者利用集成电路的制造工艺，大批量单独制造或是与集成电路同时制造微型锂蓄电池。这方面的研究还在进行之中。

4 微机电系统技术的发展前景

总之，微机电系统研究在国际上已开展得如火如荼，MEMS 的概念、加工工艺，跨学科交叉以及应用系统等都是全新的研究领域，特别是在军事上应用的MEMS 技术，更成为美国等发达国家掌握的高精尖技术。目前，微机电系统在应用系统设计、器件建模与仿真、MEMS 加工、MEMS 封装测试等方面还没有产生成熟的、系统性的方法，无论是其基础理论研究，还是应用系统研究，都有着广阔的空间，正吸引着众多研究者的注意。通过积累，逐步建立起具有自主知识体系、自主开发制造平台、自主应用系统的MEMS 综合开发环境，实现资源共享，将会加速MEMS 技术和应用的发展。

5 参考文献

[1] 陆敬予, 张飞虎, 张勇. 微机电系统的现状与展望 [J]. 传感器与微系统. 2008(02)

[2] 陈勇华. 微机电系统的研究与展望 [J]. 电子机械工程. 2011(03)

[3] 张冬至, 胡国清. 微机电系统关键技术及其研究进展 [J]. 压电与声光. 2010(03)

[4] 严宇才, 张端. 微机电系统技术的研究现状和展望 [J]. 电子工业专用设备. 2011(04)

[5] 史铁林, 钟飞, 何涛. 微机电系统及其应用 [J]. 湖北工业大学学报. 2005(05)

[6] 高世桥, 曲大成. 微机电系统 (MEMS) 技术的研究与应用 [J]. 科技导报. 2004(04)

范文五：微机电系统的发展及其应用

微机电系统的发展及其应用 Ξ

林忠华 , 胡国清 , 刘文艳 , 张慧杰

(厦门大学机电工程系 , 厦门 361005)

摘 　 要 :, 是面向 21世纪 的高新科技 . 介绍了微机电系统产生的背景影响 、 , 材料 、 微机械设计和模 、 , 、 典型的微器件 、 国内外的 . 技术目前存在的问题和未来发展的趋势 . 关键词 :; 微型传感器 ; 现状及展望

中图分类号 ::A 　　　 文章编号 :167226030(2004) 0220117207

Development and Application of Micro 2Electro 2Mechanical System

L IN Zhong 2hua , HU Guo 2qing , L IU Wen 2yan , ZHAN G Hui 2jie

(Department of Mechanical and Electrical Engineering ,Xiamen University ,Xiamen 361005, China )

Abstract :Micro 2Electro 2Mechanical System (MEMS ) developes on the basis of microelectronics. It is a scien 2tific researches frontier of multi 2disciplines and a high technology in the 21st century. This paper presents the background ,characteristics and basic research. The principal techniques of MEMS such as material ,design and simulation ,micromachining ,packaging and testing are reviewed , Typic microapparatus ,application prospect and the state 2of 2art of MEMS are also discussed in this paper. Furthermore ,some points of view of developing on MEMS in the future are put forward.

K eyw ords :micro 2electro 2mechanical system ; basic research ; micromachining ; microsensor ; state 2of art and prospect

1　 MEMS 的产生背景和特点

　　 由于硅材料微制造技术的迅速发展 , 早在 20世 纪 70年代末期斯坦福大学就开发出硅微加工的气相 色谱仪 [1], 随后人们又提出了制造微传感器 、 微处理 器的构想 . 20世纪 80年代初 , Middelhoek [2]著文预示 微系统的出现和发展前景 , 对微系统的研究起着重要 的推动作用 . 美国在 1987年举行的 IEEE Micro 2robots and Tele 2operators 研讨会的主题报告标题为 small ma 2chines , large opportunities , 首次提出了微机电系统 (micro electro 2mechanical system , M EMS ) 一词 , 标志 微机电系统研究的开始 [3]. 美国在该领域标志性的研

究成就是加州大学伯克利分校用硅片刻蚀工艺开发出 静电直线微电机和旋转微电机 , 引起世界极大轰动 , 对微机电系统研究产生很大的鼓舞 . 由此可见 , 美国 有关微系统的研究是由微电子技术发展而来 . 在欧洲 , 1989年在荷兰特文蒂 (Twente ) 以 Micro Mechanics 的 名称首次召开有关微系统的研讨会 . 1990年 , 在柏林 召开的研讨会改称为 MST (micro system 2technolo 2gy ) . 此后 , 多沿用此名称 . 欧洲在该领域的重要贡献 是开发出扫描隧道 951. 关于微机电系统研究 — — — 显 微镜和原子力显微镜以及 L IG A 工艺 . 与其他国家相 比 , 日本关于微系统的研究 , 在材料 、 制造技术和工 业应用等方面都强调机械背景 , 对该领域的研究采用 Micro 2Machine 一词 , 并于 1988年正式建立微机械研

Ξ收稿日期 :2004203203.

　　　 作者简介 :林忠华 (1975—　　 ) , 男 , 主要研究方向为微机电系统技术、 自动控制、 机电一体化 .

第 2卷 第 2期 2004年 6月 纳 　 米 　 技 　 术 　 与 　 精 　 密 　 工 　 程 N anotechnology and Precision E ngineering Vol. 2　 No. 2

J un. 2004

究组织 [4].

　　 M EMS 系统主要包括微型传感器 、 执行器和相应

的处理电路三部分 . 作为输入信号的自然界的各种信 息 , 首先通过传感器转换成电信号 , 经过信号处理后 (包括模拟 /数字信号间的变换 ) 再通过微执行器对外 部世界发生作用 . 传感器可以实现能量的转化 , 从而 将加速度及热等信号转换为系统可以处理的电信号 . 执行器则是根据信号处理 ,

控制电路发出的指令自动 完成人们所需要的各种功能 . 信号处理部分可以根据 控制电路进行信号转换 、 放大和计算等处理 . 这一系统 还能够以光 、 电 、 磁等形式与外界进行通信 , 号以供显示 , 整的系统 . 图 1世界的相互作用示意 图 1　 MEMS 系统与外部世界的相互作用示意

　　 M EMS 具有如下特点 [6~8]. 　　 (1) 微型化

　　 M EMS 器件体积小 , 重量轻 , 耗能低 , 惯性小 , 谐 振频率高 , 响应时间短 . 在 6. 45cm 2(1in 2) 大小的硅片 上可以实现 32×32的光交叉连接 (OXC ) , 这样就可 以节省空间 , 使系统结构小型化和微型化 , 使系统更 加紧凑 . M EMS 与一般的机械系统相比 , 不仅体积缩 小 , 而且在力学原理和运动学原理 , 材料特性 、 加工 、 测量和控制等方面都将发生变化 . 在 M EMS 中 , 所有 的几何变形是如此之小 (分子级 ) , 以至于结构内应力 与应变之间的线性关系 (虎克定律 ) 已不存在 . M EMS 器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子 相互作用力引起的 , 而不是由于载荷压力引起 [9], 即 牛顿摩擦定律 f =μ? N 已不适用于 M EMS 系统 .

M EMS 器件以硅为主要材料 , 硅的强度 、 硬度和杨氏

模量与铁相当 , 密度类似铝 , 热传导率接近铜和钨 , 因此 M EMS 器件机械电气性能优良 . 　　 (2) 批量生产

　　 M EMS 采用类似集成电路 (IC ) 的生产工艺和加 工过程 , 用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百 M EMS , 使 M EMS 有 , ; , 几乎取之不尽 , 因此 . 　　 M EMS 可以把不同功能 、 不同敏感方向或致动方 向的多个传感器或执行器集成于一体 , 或形成微传感 器阵列和微执行器阵列 , 甚至把多种功能的器件集成 在一起 , 形成复杂的微系统 . 微传感器 、 微执行器和微 电子器件的集成可制造出高可靠性和稳定性的微型机 电系统 .

　　 (4) 方便扩展 　　 由于 M EMS 技术采用模块设计 , 因此设备运营 商在增加系统容量时只需要直接增加器件 /系统数量 , 而不需要预先计算所需要的器件 /系统数 , 这对于运 营商是非常方便的 . 　　 (5) 多学科交叉 　　 M EMS 涉及电子 、 机械 、 材料 、 制造 、 信息与自动 控制 、 物理 、 化学和生物等多种学科 , 并集中了当今科 学技术发展的许多尖端成果 . 通过微型化 、 集成化可以 探索新的原理 、 新功能的元件和系统 , 将开辟一个新 技术领域 .

2　 MEMS 基础研究内容

2. 1　 理论基础研究

　　 理论基础研究 [10, 11]是围绕着微尺度和学科渗透 这些核心问题进行和展开的 . 当构件或系统的尺寸缩 小到一定范围内时 , 许多物理现象与宏观世界相比有 很大差别 , 甚至发生质的变化 , 显著特征表现在力性 质的改变 、 理化反应 、 摩擦等方面 . 　　 在微小尺度领域 , 与物体基本尺寸成高次方 (三 次方 ) 的惯性力 、 电磁力会随着基本尺度的减小而快速 下降 , 与基本尺寸成低次方的粘着力 、 弹性力 、 表面张 力 、 静电力等减小的速度会慢得多 , 比高次方的力相 对增大 , 在许多情况下体积力可以忽略 , 表面力成为 对系统性能起主导影响作用的因素 . 如表面基本尺寸 L 为 1mm 的构件 , 当基本尺寸减小到 1μm 时 , 体积

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力 (L 3) 变成 10-9力单位 , 表面力 (L 2) 仅为 10-6力单 位 , 两者相差 1000倍 , 而且基本尺寸减得越小 , 两 者相差得越显著 . 系统常用静电力或表面张力为驱动 力 , 尺度的变化还会引起构件的理化性能的改变 , 随 着尺寸的减小 , 构件表面积对体积的比例快速膨胀 , 构件与外部接触面积增大 , 所以微构件的热传导速度 和化学反应速度比宏观条件下快得多 . 构件尺度缩小 , 使得构件由多晶体变为单晶体 , 晶体内的缺陷如晶格 畸变 、 位错等基本消失 , 材料的固有缺陷减小 , 弹性 模量 、 屈服极限等机械性能得以明显提高 , 构件相对 运动时 , 表面摩擦力 、

要进一步对微动力学 、 、

学 、 微光学 、 微结构学

究 .

2. 2　 技术基础研究

　　 M EMS 和其他器件一样 [5, 10, 12,20, 24, 33], 也要经 过设计 、 模拟 、 加工 、 封装和测试等一系列生产步骤 , 这些步骤决定 M EMS 的性能和价格 , 也是 M EMS 器 件的关键技术 , 它们的成熟程度决定了 M EMS 产品 的商业化过程 .

2. 2. 1　 M EMS 的 CAD 与模拟技术

　　 过去许多复杂的产品在 CAD 出现之前就已经进 入了市场 , 例如汽车 , 甚至早期的集成电路等 . 但 CAD 和模拟技术发展到今天已对各种新型器件进行 研发 , 包括对 M EMS 产品的研发都具有十分重要的 意义 :①可以优化 M EMS 结构和工艺 , 减少试制成 本 ; ② 可以缩短设计周期 , 增强市场竞争力 ; ③ 对 M EMS 器件的模拟有助于理解微小范围内的力 、 热 、 电 、 磁等能量之间的相互作用 . M EMSCAD 技术经过 过去十多年的发展 , 现在已有针对 M EMS 技术的商 业化 M EMSCAD 软件 . 这些软件分三类 :第一类是由 微电子技术发展而来的 Tanner TOOL SVL SI 软件 ; 第二类是由机械工程发展来的软件 , 如 ANSYS ; 第三 类是专门为 M EMS 发展而研制的软件 . 专为 M EMS 开发的 CAD/模拟软件包括电子 、 机械和热效应 , 有一 些还包括其他物理机理 . 实用的 M EMSCAD/模拟软 件公 司 主 要 有 CFD Research Corporation , Coventor (以 前 Microcosm Technologies ) , Integrated Systems Engineering 等 . 用户可根据需要选择某一个公司的软 件 , 但是使用 M EMSCAD 模拟仍然是相当复杂的工 作 .

2. 2. 2　 材料 M EMS 的分类

　　 M EMS 材料分为结构材料和功能材料两种 .

　　 (1) 结构材料

　　 目前研制生产 M EMS 的衬底材料主要是硅 , 但 也有公司使用石英玻璃 、 陶瓷 、 聚合物等 . 使用的其他 半导体材料还包括 :SO I (硅在绝缘体上 ) 主要用于高 性能的传感器和执行器以及低功耗的便携式系统 ; G aAs 适合用于无线和数据通信 ; SiC 适合高温部件 ; InP 适合高速度光纤部件和高频率无线应用 . 聚合物 在 M EMS , 主 公司 .

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, 可以实现敏感和致动 . 形状记忆合金已经用在几 个类型的 M EMS 的执行器中 , 如微流量泵和阀 . 氧化 锌和 PZT 等压电材料对 M EMS 有极大的吸引力 , 因 它有电和机械互相转换性能 , 即加电到压电材料上会 使其变形 , 相反加应力会使其产生电压 . 磁致伸缩材 料 、 光敏 、 气敏 、 生物敏和电流变体等也是目前 M EMS 所使用的重要的功能材料 .

2. 2. 3　 M EMS 加工技术

　　 (1) 体微机械加工工艺

　　 体微机械加工工艺是制造 M EMS 的重要工艺 , 加工就是通过对硅衬底内部进行腐蚀得到在衬底内部 所要求的结构 , 如悬臂梁 、 沟 、 槽等 . 腐蚀方法可以是 湿法腐蚀或者是干法腐蚀 (等离子腐蚀 ) . 体微机械加 工工艺的优点是获得的结构几何尺寸较大 , 机械性能 好 , 缺点是与集成电路工艺不易兼容 . 现在体微机械 加工有两个重要的数据要注意 . 其一 , 湿法化学腐蚀 单晶硅时 , 对于 KOH 腐蚀剂的典型值是 :(111) (参考 基准 ) =1, (100) =300~400, (110) =600, 一个方向 比另一个方向的腐蚀速率可高 600倍 , 这个特性在压 力传感器加工中特别有用 . 其二 , 使用基于等离子腐 蚀工艺 — — — 深反应离子刻蚀 (DRIE ) 腐蚀最佳硅晶面 时深宽比可达到 10倍 .

　　 (2) 表面微机械加工工艺

　　 表面微机械加工工艺现在仍然是制造 M EMS 的 重要工艺之一 . 表面微机械加工工艺是利用薄膜淀积 、 光刻和腐蚀方法在衬底表面组建微机械结构 , 其关键 是腐蚀掉牺牲氧化层 , 形成三维的微机械结构 . 此工 艺的牺牲层通常是 SiO 2, 位于运动部件下面 , 使用氢 氟酸腐蚀 SiO 2, 使该部件作为运动部件 . 这种 M EMS 工艺与集成电路兼容 , 便于与集成电路集成和大批量 生产 . M EMS 微加速度计和 M EMS 角速度传感器就 是表面微机械加工的实例 .

　　 (3) 第三代微机械加工技术

　　 第三代微机械加工技术包括激光感应腐蚀和材料 ? 9

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淀积技术 、 电解刻蚀及电镀技术 、 超声和电子放电铣技 术 、 inkjetting 法 、 模压法和浮调技术等 . M EMS 设计时 可以采用以上各种方法去加工 M EMS. 另外圆晶片键 合和真空封装 M EMS 技术也是 M EMS 目前采用的重 要加工工艺 , 而 L IG A 微机械加工工艺由于需要昂贵 的同步辐射 X 射线源 , 且掩膜制作工艺复杂 , 因此目 前很难推广 .

　　 (4) M EMS 标准加工线 (foundry )

　　 M EMS 的生产加工除在 M EMS 产品工厂实现 外 , 也和集成电路一样有许多代加工线 , 为 M EMS 设 计公司及其他公司提供 M EMS 代加工服务 ,

著名的 M EMS

实现 . 现在国外 M : BF G ood rich 、 CMP 等 . 多数 M EMS foundry 具有加工 M 全套设备的能力 , 然 而由于 M EMS 种类繁多 , 材料和工艺范围很宽 , 不可 能包含全部设备 . 美国国防远景研究计划局 (DARPA ) 两年前建立了一个新的 M EMS 代加工服务组织 , 称 作 M EMS 2Exchange. 这个组织与各个工业和产品加工 商签订合同 , 为 M EMS 加工提供广宽的服务范围 , M EMS 设计师设计的产品可在 M EMS 2Exchange 协调 下到各个生产线加工 .

2. 2. 4　 封装技术

　　 封装技术是 M EMS 产品中最关键的技术之一 。 　　 与集成电路一样 ,M EMS 需要环境防护 、 电信号 引出端 、 机械支撑和热量通路 . 但 M EMS 封装更复杂 , 还有许多与集成电路不同 , 有时需要与周围环境隔 离 , 有时则需要与环境接触 , 以便对指定的理化参数 施加影响或测量 ; 有的 M EMS 封装要求在特殊的环 境下进行 , 如加速度计 ; 有一些封装则需要在真空条 件下进行 , 避免振动结构的空气阻尼或热传导作用 . 现 在人们已经认识到 M EMS 封装的重要性 ,M EMS 封 装比集成电路复杂得多 , 而且 M EMS 封装需要随产 品要求而定 , 封装和测试费用占 M EMS 产品成本的 70%以上 . 目前有 多 种 形 式 的 M EMS 封 装 可 满 足 M EMS 商品化的需求 . 随着人们对 M EMS 封装的日 益重视 , 新型的封装技术不断出现 , 其中较有代表性 的是采用倒装焊技术的 M EMS 封装 [21]、 上下球栅阵 列封装技术和多芯片模块封装技术 [22]. Cincinnati 大 学的光电 M EMS 器件采用倒装焊封装 [23].

2. 2. 5　 测试技术

　　 M EMS 的测试技术是 M EMS 开发与生产中的重 要组成部分 .

　　 通过对 M EMS 测试可以获得微机械结构及整个 M EMS 系统的各项参数 , 包括几何量 、 力学量 、 光学 量 、 电磁学量 、 声学量等 . M EMS 的测试与集成电路相 比困难更大 , 除需测量电信号之外 , 还包含许多机械 特性及其他物理参数 .

3　 MEMS 的应用

　　 M [24~28],M EMS 技术 , 几乎涉及 , 如电子技术 、 机 、 化学 、 生物医学 、 材料科学和能源科学 等 . 与不同的技术结合 , 往往便会产生一种新型的 M EMS 器件 .

3. 1　 微型传感器

　　 微型传感器是 M EMS 最重要的组成部分 . 1962年 , 第一个硅微型压力传感器的问世开创了 M EMS 技 术的先河 , 并一直是推动 M EMS 技术不断进步的动 力 , 同时 M EMS 技术的应用又使传感器的性能提高 了几个数量级 . 现在已经形成产品和正在研究中的微 型传感器涉及领域有压力 、 力 、 力矩 、 加速度 、 速度 、 位 置 、 流量 、 电量 、 磁场 、 温度 、 气体成分 、 湿度 、 p H 值 、 离 子浓度和生物浓度 、 微陀螺 、 触觉传感等 . 现在 , 微型传 感器正朝着集成化和智能化的方向发展 .

3. 2　 微型执行器

　　 微型执行器主要有微电机 、 微开关 、 微谐振器 、 微 阀门和微泵等 . 把微型执行器分布成阵列可以收到意 想不到的效果 , 如可用于物体的搬送 、 定位 . 微型执行 器的驱动方式主要有静电驱动 、 压电驱动 、 电磁驱动 、 形状记忆合金驱动 、 热双金属驱动 、 热气驱动等 . 微型 电机是一种典型的微型执行器 , 可分为旋转式和直线 式两类 .

　　 在 M EMS2000年会上 , 瑞士的 Dellmann L 等人 报道了一种用于手表的微型机械加工压电弹力电机 (Elastic Force Motor ) , 力矩高达 1μN ? nm , 而功耗仅 10μW. EFM 的工作原理是定子产生垂直振动 , 然后 由转子转换成转动 . 定子由 ZnO 压电层在谐振频率下 产生垂直运动 , 工作频率为 20kHz , 典型激励电压为 4V , 转子弹性束将垂直运动转换成转动 . 与过去的定 子相比 , 这种新型设计使模片振动的第一种模式得到 应用 , 从而提高了振动的机械幅度 .

3. 3　 微型光机电器件和系统

　　 随着信息技术 、 光通信技术的发展 , 宽带的波分 复用光纤网络将成为信息时代的主流 , 光通信中光器 件的微小型化和大批量生产成为迫切的需要 . M EMS

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技术与光器件的结合恰好能满足这一需求 . 由 M EMS 与光器件融合为一体的微型光机电系统 (MOEMS ) 将 成为该领域中的一个重要研究方向 . 2000年 , 美国加 利福尼亚大学电气工程学院的 Guo 2Dung J Su 等人得 到美国 DARPA 支持 , 使用表面微机械技术研制了高 性能单晶硅反射镜二维 (2D ) 光扫描器 , 反射镜在厚的 (大于 10μm ) 绝缘硅 (SO I ) 上形成 , 而且连接到表面 微机械驱动器 .

3. 4　 微型机器人

　　 随着电子器件的不断缩小 , 组装时要求的精密度 也在不断增加 . 现在 , ,

巧的产品 . . 军事部 . 日本已制作 , 它只有钱币大小 . 太阳能电池产生的电力驱动马达使机器人向着光亮的 地方前进 .

3. 5　 微型飞行器

　　 微型飞行器一般是指长 、 宽 、 高均小于 15cm , 重 量不超过 120g , 在成本可接受的情况下 , 研制的一 种有军事用途的飞行器 . 这个飞行器的设计目标是 16 km 的巡航范围 , 并能以 30~60km/h 的速度连续飞 行 20~30min. 美国陆军把这种微型飞行器装备到陆 军 , 它被广泛地用于战场侦察 、 通信中继和反恐怖活 动 . M IT (麻省理工学院 ) 新设计的微型飞行器 , 预计 其飞行速度为 30~50km/h , 可在空中停留 1h , 具有 侦察及导航能力 .

3. 6　 微型动力系统

　　 微型动力系统以电 、 热 、 动能和机械能的输出为目 的 , 以毫米到厘米级尺寸产生 1W 到 10W 级的功 率 . M IT 从 1996年开始了微型涡轮发动机的研究 . 它 们研制的涡轮发动机利用 M EMS 加工技术制作 , 主 要包括空气压缩机 、 涡轮机 、 燃烧室 、 燃料控制系统 (包 括泵 、 阀 、 传感器等 ) , 以及电动机 /发电机 . 该校已在 硅片上制作出涡轮机模型 , 其目标是 1cm 直径的发 动机产生 10~20W 的电力或 0. 05~0. 1N 的推力 , 最终达到 100W. M IT 正在研究一种微型双组火箭发 动机 , 它由 5~6片硅片叠在一起组成 . 硅片上制作有 燃烧室 、 喷嘴 、 微泵 、 微阀及冷却管道等 . 整个发动机约 长 15mm 、 宽 12mm 、 厚 25mm. 使用液态氧和乙醇作 燃料 , 预计能产生 15N 的推力 , 推力重量比是目前 大型火箭的 10~100倍 . 美国 TRW 公司 、 航空航天公 司和加州理工学院 (CIT ) 组成的研究小组提出了一个 “ 数字推进概念” 方案 . 在这个方案中 , 将有 104~106 个微推进器被集成到一块直径为 10cm 的硅片上 , 并 已研制出了 3mm ×5mm 的微推进器阵列 .

4　 国内外 MEMS 技术的状况

　　 综合分析文献 [29~35], 可知国内外 M EMS 技术 的发展状况 .

4. 1　 M

世纪社会经济发展和国 技术的发展十分重视 , 在原有将传 , 又制定了继续 把 M EMS 作为关键技术发展的政策 . 美国确定军事应 用为其主要方向 , 侧重于以惯性器件为代表的 M EMS 传感器的研究 ; 日本重点发展进入工业狭窄空间微机 器人 、 进入人体狭窄空间医疗微系统和微型工厂 ; 欧洲 则重点发展 u TAS (Micro Total Analysis System ) — — — 全微分析系统 , 制定了 Eurimus 计划和 Europractice 计划 . 重视基础技术建设的同时十分重视设计 、 材料 、 加工 、 封装 、 测试等技术的发展 ; 美国除在研究单位建 立独立的加工实验室外 , 还特别建立了专门为研究服 务的加工基地 , 如 MCNC 、 SANDIA 国家实验室等 ; 德 国也建立了 BOSCH 实验室 .

　　 M EMS 的市场需求上升 . 目前部分器件已经实现 了产业化 , 如微型加速度计 、 微型压力传感器 、 数字微 镜器件 (DMD ) 、 喷墨打印机的微喷嘴 、 生物芯片等 , 应用领域十分广泛 . 据统计 , 1995年美国传感器市场 销售额中 , 微电子机械传感器销售额为 15亿美元 . 2002年的销售额达到 380亿美元 , 相关市场将达到 1万亿美元 . 最近 , 美国朗讯公司开发的基于 M EMS 光 开关的路由器已经试用 , 预示着 M EMS 发展的又一 高潮来临 .

　　 国外 M EMS 技术的发展已有 30多年历史 , 其发 展的特点如下 .

　　 (1) 国外现已形成三种类型的生产规模 , 大型企 业大批量生产 100万只 /年以上产品 , 有的企业批量 生产能力在不断提高 , 年生产能力超过 1000万只以 上 ; 中等规模的企业生产能力为 1~100万只 /年 ; 一些 研究所根据特殊要求生产小批量产品 , 年产量在 1万 只产品以下 . 欧洲在第四和第五框架计划中为加强 M EMS 的深入发展 , 根据地域特点和市场需求建立了 6个加工中心和 1个竞争中心 .

　　 (2) 产品功能进一步扩展和完善 , M EMS 器件正 在向微电子部件和系统演变 , 不仅具有信息转换的功 能 , 而且具有自检 、 自校 、 量程转换 、 远程设定和无线 ? 1

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通讯等智能化功能 , 更能适应多种测量的控制需要 .

如汽车压力传感器已不再是单独分立的元件 , 它和其 它部分共同构成压力检测系统 , 如 Motorola , N T Sen 2 sor 等公司 , 其中 Motorola 公司量程为 100kPa 系列 的压力传感器性能为 4. 487~4. 813V 满量程输出 , 精度 ±1. 5%FS, 线性 ±0. 3%FS.

4. 2　 国内 M EMS 技术的发展状况

　　 中国的 M EMS 研究始于 1989年 , 在国家 “八 五” 、

“ 九五” 计划期间 , 得到了国家自然科学基金委员 会 、 科技部 、 教育部 、

持 , 经费总投入约为 1. 5亿人民币 .

展 , 我国在多种微型传感器 、

, 初步形成 了几个 M EMS . 包括京津地 区 , 如清华大学 、 北京大学 、 中科院电子所 、 信息产业 部电子 13所 、 南开大学等 ; 华东地区 , 如中科院上海 冶金所 、 上海交通大学 、 复旦大学 、 上海大学 、 东南大 学 、 浙江大学 、 中国科技大学 、 厦门大学等 ; 东北地区 , 如信息产业部电子 BF 所 、 哈尔滨工业大学 、 中科院长 春光机所 、 大连理工大学 、 沈阳仪器仪表工艺研究所 等 ; 西南地区 , 如重庆大学 、 信息产业部电子 24所 、 44所和 26所等 ; 西北地区 , 如西安交通大学 、 航空 618所 、 航天 771所等 . 在微型惯性器件和惯性测量组合 、 机械量微型传感器和致动器 、 微流量器件和系统 、 生物 传感器和生物芯片 、 微型机器人和微操作系统 、 硅和非 硅制造工艺等方面已取得一定成果 . 现有的技术条件 已初步形成 M EMS 设计 、 加工 、 封装 、 测试的一条龙体 系 , 为保证我国的 M EMS 技术进一步发展提供了较 好的平台 . “ 十五” 期间 , M EMS 正式列入 863计划中 的重大专项 , 加上教育部的教育振兴计划 、 中国科学 院的知识创新体系 、 基金委和科技部新的立项以及地 方和企业的投入 , 预计总经费可达 3亿人民币以上 . 针对国际 M EMS 发展趋势和未来的产业化前景 , 结 合国家竞争前核心技术发展战略 , 围绕生物化学分 析 、 工业自动化 、 信息技术等行业的社会经济发展需 要 , 以发展我国 M EMS 产业化基础的关键技术作为 切入点 , 掌握 M EMS 相关的设计 、 加工 、 测试 、 封装 、 装配和系统集成等方面的具有自主知识产权的理论方 法和关键技术 ; 开发出若干小批量 、 多品种 、 高质量的 M EMS 器件及系统 ; 逐步建立起我国 M EMS 研发体 系和产业化基地 , 提高我国在 M EMS 领域的核心竞 争力 , 为推动 M EMS 的可持续发展和产业化打下良 好基础 , 并在某些方面进入国际领先水平 . 5　 MEMS 技术的展望

5. 1　 研究方向多样化

　　 M EMS 技术的研究日益多样化 , 涉及的领域主要 包括惯性器件如加速度计与陀螺 、 AFM (原子力显微 镜 ) 、 数据存储 、 、 微型阀门 、 泵和 、 、 各种执行器 、 微型 、 封装键合 、 医用器 、 麦克风以及声学器件 . 内容涉及军事和民用等各个应用 领域 .

5. 2　 新材料的研究与开发

　　 M EMS 的材料发展 , 今后的重点是研究开发将普 通材料合成用于 M EMS 的技术 , 开发两种以上材料 的合成 , 如在玻璃和金属中加入无机纤维 ; 具有金属 和半导体纳晶分布的聚酯玻璃基材料 , 以及响应快及 发射特性好的光材料等 .

5. 3　 加工工艺多样化

　　 加工工艺多种多样 , 如传统的体硅加工工艺 、 表 面牺牲层工艺 、 溶硅工艺 、 深槽刻蚀与键合工艺相结 合 、 SCREAM 工艺 、 L IG A 加工工艺 、 厚胶与电镀相结 合的金属牺牲层工艺 、 MAMOS (金属空气 MOSFET ) 工艺 、 体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等 , 而具体的 加工手段更是多种多样 .

5. 4　 系统单片集成电路化

　　 一般传感器的输出信号 (电流或电压 ) 很弱 , 若将 它连接到外部电路 , 则寄生电容 、 电阻等的影响会掩 盖有用的信号 , 因此采用灵敏元件外接处理电路的方 法已不能得到质量高的器件 , 只有把两者集成在一个 芯片上 , 才能具有较好的性能 .

5. 5　 M EMS 器件芯片制造与封装应统一考虑

　　 电气机械封装是商品化 M EMS 产品的关键因素 , 封装成本约占产品总成本的 20%~90%, 封装形式取 决于它的类别和用途 . M EMS 器件与 IC 芯片的主要 不同在于 , M EMS 器件芯片一般都含有运动部件 , 比 较脆弱 , 在封装前不利于运输 , 所以 M EMS 器件芯片 制造与封装应统一考虑 .

5. 6　 目前 M EMS 技术存在的问题

　　 笔者认为 , 在微观领域 , 不能完全采用宏观情况 下的各种定律与公式 , 如虎克定律 、 牛顿摩擦定律 、 弹 性力学相关定律 、 材料力学的相关定律 、 流体运动定 律 、 N 2S 方程等 . 作者认为这些公式必须修正才能用到 M EMS 技术中 ; 还有其他参数 , 如材料力学的杨氏模

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量 、 泊松比等 , 这些参数必须根据实际情况进行修正 . 目前在计算中一直沿用这些公式和参数 , 主要原因是 目前的实验设备和实验经费不能满足 , 不能对这些公 式和参数进行一一修正 , 是不得已而为之 . 希望通过 科学工作者共同努力 , 将 M EMS 技术中的各种参数 、 公式 逐 步 修 正 , 逐 步 完 善 , 成 为 指 导 科 学 实 践 的 工具 .

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