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微机电系统与微细加工技术

微系统是微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路甚至接口、通信和电源于一体的微型器件或系统。微系统的习惯术语有：MEMS(MicroElectro-Mechanical System，微机电系统)或MOEMS(微光机电系统，美国)、Micro-Machine(微机械，日本)、Micro Systems(微系统，欧洲)。从其尺寸角度，可分为1～10mm的微小机械，1μm～1mm的微机械，1nm～1μm的纳米机械。相应地，微细加工技术也可分为微米级、亚微米级和纳米级微细加工等。

MEMS系统主要包括微型传感器、致动器和相应的处理单元三部分。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)再通过微致动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。致动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。

MS的应用领域

微机械无疑在生物医学、精密仪器，特别是空间狭小、操作精度高、功能高度集成的航空航天机载设备领域有巨大的应用潜力，被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。微系统的应用主要可以分为以下四个方面：

(1)微型构件 通过微细加工技术加工出的三维微型构件有：微齿轮、微电动机、微涡轮、微光学器件、微轴承、微弹簧等。它们都是微系统的基础机械部件。微机械的设计和加工水平的不断提高，可以制造出越来越精细的微型实验进程中数据的收集、进程的控制和实验数据的后期处理工作全部有计算机来完成构件。

(2) 微传感器 微传感器是最广泛使用的MEMS器件。传感器是一种将能量从一种形式转变成为另一种形式、并针对特定可测量的输人为用户提供一种可用的能量输出的器件。主要传感器类型有：声波传感器、生物医学传感器和生物传感器、化学传感器、光学传感器、压力传感器、热传感器等。

(3)微致动器 微致动器要求在动力源的驱动下能够完成所需要的动作，常用的微致动器有微阀、微泵、微开关、微谐振器等。微系统驱动常用的驱动方式有：热力驱动、形状记忆合金驱动、压电晶体驱动以及静电力驱动等。

(4)微型器件及系统 应用较多的是医疗及外科手术设备，如人造器官、体内施药及取样微型泵等。微型机器人(见图1)。航空航天领域中的微型导航系统、微型卫星、微型飞机(见图2)等，以及微光学系统、微流量测量控制系统、微气相色谱仪、生物芯片、仿生器件等。

2.微细加工及其关键技术

随着微机电系统的发展，微型制造技术作为实现MEMS技术的关键也开始引起世界发达国家的材料科学工作者和工业界的极大关注。要想加工出精密的微机电器件，必须要具备相应微细加工技术。

目前，常用的有以下方法：

(1) 光刻术(Photolithography) 这种方法首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂(光刻胶)，然后利用极限分辨率极高的能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光(或称光刻)。显影后，在抗蚀剂层上获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形。最后再利用其他方法，便可在工件材料上制造出微型结构。目前光刻术中主要采用的曝光技术有：电子束曝光技术、离子束曝光技术、X射线曝光技术和紫外准分子曝光技术。

(2)蚀刻技术 蚀刻通常分为等向蚀刻和异向蚀刻。等向蚀刻可以制造任意横向几何形状的微型结构，高度一般为几微米，仅限于制造平面形结构。异向蚀刻可以制造较大纵深比的三维空间结构，其深度可达几百微米。①化学异向蚀刻。化学蚀刻具有独特的横向欠蚀刻特性，可以使材料蚀刻速度依赖于晶体取向的特点得以充分发挥。单晶硅具有结晶方向不同的结晶面，在碱性溶液中各结晶面之间存在着显著不同的蚀刻速度。通过硅的可控掺杂法引入一个非常有效的蚀刻停止层，阻止蚀刻的进行，实现有选择的蚀刻来制造微结构。②离子束蚀刻。离子束蚀刻又分为聚焦离子束蚀刻和反应离子束蚀刻。聚焦离子束蚀刻在离子密度为A/cm 数量级时，能产生直径为亚微米的射束，可对工件表面直接蚀刻，且可精确控制射束的密度和能量。它是通过人射离子向工件材料表面原子传递动量而达到逐个蚀除工件表面原子的目的，因而可达到纳米级的制造精度。反应离子束蚀刻是一种物理化学反应的蚀刻方法。它将一束反应气体的离子束直接引向工件表面，发生反应后形成一种易挥发又易靠离子动能而加工的产物，同时通过反应气体离子束溅射作用达到蚀刻的目的。是一种因此在选择的时候要重视选择亚微米级的微加工技术。③激光蚀刻。激光蚀刻通常采用YAG激光和准分子激光。目前常用的有氟化氩准分子激光和氟化氙准分子激光。氟化氩准分子激光器所产生的远紫外线激光束蚀刻塑料之类的聚合物硬材料，不仅可以蚀刻出极其微细的线条，而且不产生热量，材料受光束焦点作用处的周围没有热扩散和烧焦现象。这种准分子激光器所产生的远紫外线，其波长为193nm，重复频率为1Hz或大于1Hz，脉冲宽度为12ns。一个脉冲即可蚀刻出几微米的沟槽。利用这种激光脉冲，能够把材料逐层剥下来蚀刻出微细的线条。氟化氙准分子激光器产生的近紫外线的波长为 300nm，其蚀刻过程是，放在氯气中的硅片受到激光辐射后，氯分子分解为氯原子，与此同时，硅片上受激光辐射的电子附在氯原子上，形成带负电荷的氯潜孔钻离子热水瓶，又与带正电荷的硅原子发生化学反应，形成一种四氯化硅的挥发性气体，通过反应器除掉四氯化硅，提供新鲜氯气，于是硅片受到腐蚀，不需要感光胶就能得到所需要的图形。

(3)LIGA技术 LIGA是由德文Lithographie(光刻)、Galvanoformung(电铸成形)和 Abformung(注塑)这三个词生成的缩写词，是一种快速微制造技术。LIGA技术所加工的几何结构不受材料特性和结晶方向的限制，可以制造由各种金属材料、塑料制成的微机械。因此较之硅材料的加工技术有了一个很大的飞跃。LIGA技术可以制造具有很大纵横比的三维结构。纵向尺寸可达数百微米，最小横向尺寸为1μm。尺寸精度达亚微米级，而且有很高的垂直度、平行度和重复精度。LIGA技术包括以下三个工艺过程：①深层同步辐射X射线光刻。利用同步辐射X射线透过掩膜对固定于金属基底上的厚度可达0.5mm的X射线抗蚀剂(光刻胶)进行曝光，然后将其显影制成初级模板，该模板即为掩膜覆盖的未曝光部分的抗蚀剂层，具有与掩膜图形相同的平面几何图形。②电铸成形。电铸成形是用电沉积的方法在胎模上沉积金属以形成零件，胎模为阴极，要电铸的金属作阳极。在 LIGA技术中，把托载初级模板(抗蚀剂结构)的金属基底作为阴极，所要成形的微结构金属材料(Ni，Cu，Ag)作为阳极。电铸后，将它们整个浸入剥离溶剂中，对初级模板进行腐蚀剥离，剩下的金属结构即为所需镀银首饰求的微结构件。③注塑。将电铸制成的金属微结构作为二级模板，将塑性材料注入二级模板的模腔，形成微结构件，从金属模中提出。也可用形成的结构件作为模板再进行电铸，应用LIGA技术进行三维微结构件的批量生产。

(4)牺牲层技术 牺牲层技术也叫分离层技术。牺牲层技术是在硅基板上，用化学气相沉积方法形成微型部件，在部件周围的空隙上添入分离层材料，最后以溶解或刻蚀法去除分离层，使微型部件与基板分离，此技术也可以制造与基板略微连接的微机械。

(5)外延技术 外延生长是微机械加工的重要手段它的特点是生长的外延层能保持与衬底相同的晶向，因而在外延层上可以进行各种横向与纵向的掺杂分布与腐蚀加工，以制得各种结构。

(6) 特种微细加工技术 ①微细电火花加工。微细电火花加工的原理与普通电火花加工并无本质区别。实现微细电火花加工的关键在于微小轴(工具电极)的制作、微小能量放电电源、工具电极的微量伺服进给、加工状态检测、系统控制及加工工艺方法等。应用微细电火花加工技术，目前已可加工出直径2.5μm的微细轴和 5μm的微细孔，可制作出长0.5mm、宽0.2mm、深0.2mm的微型汽车模具，并用其制作出了微型汽车模型。可制作出直径为0.3mm、模数为 0.1mm的微型齿轮。②微细电解加工。电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理来去除材料的制造技术，材料去除是以离子溶解的形式进行的，这种微去除技术使得电解加工具有微细加工的可能。有人通过降低加工电压和电解液浓度，成功地将加工问隙控制在10μm以下。采用微动进给和金属微管电极，在 0.2mm的镍板上加工出了0.17mm的小孔。③微细超声加工。随着晶体硅、光学玻璃、工程陶瓷等硬脆材料在微机械中的广泛应用，硬脆材料的高精度三维微细加工技术已成为一个重要的研究课题。目前可用于硬脆材料加工的方法主要有光刻加工、电火花加工、电解加工、激光加工和超声加工等。利用超声做细加工技术，用工件加振的工作方式在工程陶瓷材料上加工出了直径最小为5μm的微孔。④微细激光成形加工。微细激光成形加工与传统的特种加工方式不同，激光成形加工不是将材料去除，而是通过材料添加的方法实现成形加工。根据加工材料和机理的不同，激光成形加工可以分为光固化成形、选择性激光烧结成形、分层实体造型等多种类型。

(7)分子装配技术 (Molecular Assemblage) 扫描隧道效应显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)具有0.01μm的分辨率，是目前世界上精度最高的表面形貌观测仪。利用其测针的尖端可以俘获分子或原子，并且可以按照需要拼成一定的结构，进行分子装配制作微机械。美国某公司1991年操纵氙原子，在镍板上拼出了“IBM”的字样(见图3)和美国地图。我国中科院近代化学研究所也拼出了“原子”字样(见图4)和中国地图。分子装配技术是一种纳米级微加工技术，是一种从物质的微观角度来构造微结构，制作微机械的方法。

(8) 集成机构(Integrated Mechanism)制造技术 近来，微机械出现了一个新的发展趋势，即利用大规模集成电路的微细加工技术，将各种精巧的微机构，如：微致动器、微传感器、微控制器等集成在一个硅片上。它可以将传统的无源机构变为有源机构，又可制成一个完整的机电一体的微机械系统，整个系统的尺寸可望缩小到几毫米至几百微米。

3.微系统研究现状与展望

中国的MEMS研究始于1989年，在国家“八五”、“九五”计划期问，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，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、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、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、重庆大学、信息产业部电子24所、44所和26所、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、体硅微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。总之，面向MEMS微细加工技术作为一种高新技术在世界范围内得到了高度重视，它与纳米操作功用技术结合在一起，将对未来科技的发展带来革命性的影响。