2017年工伤保险条例:MEMS的研究与应用

来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2024/03/29 18:41:31

MEMS的研究与应用

摘要:本文介绍了MEMS的基本概念、基本特征和理论基础,并结合MEMS的发展史和制造技术,对MEMS的应用领域作了重点阐述,最后对MEMS的发展前景和产业化的挑战作了分析。

引言

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical System),简称MEMS,是在微电子技术基础上发展起来的集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一体的一项新兴的科学领域。它将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合,涉及到微电子学、机械设计、自动控制、材料学、光学、力学、生物医学、声学和电磁学等多种工程技术和学科,是一门多学科的综合技术。

MEMS在许多方面具有传统机电技术所不具备的优势,包括质量和尺寸普遍减小、可实现大批量生产、低的生产成本和能源消耗、易制成大规模和多模式阵列等。MEMS 研究的主要内容包括微传感器、微执行器和各类微系统,现在已成为世界各国投入大量资金研究的热点。

MEMS的发展史

自1947年Schockley、Bardeen和Brattain发明晶体管以来,微电子技术有了突飞猛进的发展。1953年,Charles S. Smith研究了半导体的压阻效应。Kulite公司于1970年和1976年,分别引入了各向同性和各向异性腐蚀技术。国家半导体公司于1974年将大批量生产的压力传感器推向市场。1982年,“微机械”这一名词应运而生。这时,体硅微机械加工技术已成为制作微机械器件的有效手段[1]。1985年,牺牲层技术被引入微机械加工,“表面”微机械加工概念由此产生[2]。1987年,U. C. Berkeley利用微机械加工技术制作出了世界上第一个微静电马达,掀开了微机械发展的新一页。1987-1988年间,一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开,MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并渐渐成为一个世界性的学术用语。1993年,ADI公司成功地将微型加速度计商品化,并大批量应用于汽车防撞气囊,标志着MEMS技术商品化的开端。

由于 MEMS 具有的划时代的意义,世界各国都极为关注其发展,在人力和物力两方面均给予了强有力的支持。据有关机构统计,MEMS研发活动最积极的国家和地区依次为美国、德国、日本、斯堪的纳维亚地区、法国、中国、韩国、英国、瑞典和中国台湾地区。

我国非常重视MEMS传感器的研究和发展工作,而且起步较早。国家自然科学基金委组织的立项起步于1989年,中国科学院于1991年确立重点研究项目。1993年和1994年,国家基金委、国家科委先后确定MEMS为重点项目和重大项目。自1993年底起,国防科工委投入数千万元用于“九五”期间微型机械的研究工作,并且建立了两个微加工基地(IC、LIGA)和一个项目研究中心。此后,国家基金委又确立了若干微机电系统的基础研究项目,国家科技部组织了集成微光机电系统重大基础研究项目,S-863计划也将MEMS主题列入规划。

MEMS的理论基础

当尺寸缩小到一定范围时,许多物理现象和宏观世界有很大差别。力的尺寸效应和表面效应在微观领域可能起重要作用。在微小尺寸领域,与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力等的作用相对减小,而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力、表面张力、静电力等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小,表面积与体积之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快,表面间摩擦阻力显著增大。因此,在微观尺度下的力学、热力学、微流体力学、微摩擦学、微机械学和微光学等的基础理论研究显得尤为重要。
MEMS的基本特征

目前,关于MEMS的定义尚无统一的定义。一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征[3]:

a) 尺寸在毫米到微米范围之内,区别于一般宏(Macro),即传统的、大于1cm尺度的“机械”,但并非进入物理上的微观层次。

b) 基于(但不限于)硅微加工技术制造。

c) 与微电子芯片类同,可大批量、低成本生产,使性能价格比比之传统“机械”制造技术,大幅度地提高。

d) MEMS中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械,它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应:包括力、热、声、光、磁,乃至化学、生物等。

e) MEMS的目标是微“机械”与IC集成的微系统,即具有智能的微系统。

用以上特征来衡量,用微电子技术(不限于)制造的微小机构、器件、部件和系统等都属于MEMS范围,微机械和微系统只说明MEMS发展的不同层次,而有关的科学技术都可统称为MEMS技术。

MEMS的制造技术

MEMS的制作主要基于两大技术:IC技术和微机械加工技术,其中IC技术主要用于制作MEMS中的信号处理和控制系统,与传统的IC技术差别不大,而微机械加工技术则主要包括体微机械加工技术、表面微机械加工技术、LIGA技术、准LIGA技术、晶片键合技术和微机械组装技术等。

体微机械加工是选择性的去除衬底,形成微机械元件的一种工艺,也是最古老的微机械加工技术。按所用腐蚀剂的不同分为干法腐蚀和湿法腐蚀,也可以根据腐蚀气-液对各晶面腐蚀速率的不同分为各向同性腐蚀和各向异性腐蚀[4]。目前,随着DRIE的逐渐推广,各向异性腐蚀的研究重点已从腐蚀得到的几何结构方面转向如何提高腐蚀的精度、均匀性和表面粗糙度以及如何与标准CMOS兼容等问题上。尽管受到表面微机械加工的有力挑战,体微机械加工仍是最广泛采用的微机械加工技术之一。

表面微机械加工是把沉积于硅晶体的表面膜制作加工成MEMS的“机械”部分,然后使其局部与硅体部分分离,呈现可运动的机构。分离主要依靠牺牲层技术。表面微机械加工的重要优点就是与常规IC工艺的兼容性。另一个优点是器件占用的硅片面积比传统各向异性体硅腐蚀加工的器件的尺寸小很多。与体硅加工方法相比,表面微加工技术形成的结构鲁棒性较差,但其使用的材料多种多样,不局限于单晶硅,而且加工手段和自由度也较前者为佳。

LIGA技术是德文光刻-电镀-模铸的缩写,它主要利用X射线深层曝光、电铸、成型等技术进行微机械加工[5]。LIGA技术可以制造高的深宽比的结构,宽度可小到1微米,深度可达数百微米,甚至毫米级,非常适合于制作复杂的微机械结构,但是LIGA技术所需的工艺设备比较昂贵,而且与IC工艺不完全兼容,不能有效利用IC工业现有的设备和加工能力,因此产品成本高,短时期内难以形成产业化。

准LIGA技术是改进的LIGA技术,采用传统的深紫外线曝光、厚光刻胶作掩膜和电铸技术,加工厚度为数微米至数十微米,且与IC工艺兼容性好[6]。在集成电路部分制作之后,准LIGA技术还能够用来制作后续的微机械系统,是一种很有发展前途的MEMS制作技术,因而越来越引起人们的兴趣。

晶片键合技术是不用液态的粘接剂,而将两块固态材料键合在一起的方法。硅?玻璃键合和硅?硅键合是目前两种主要的键合形式。微机械组装技术也被称为二次集成技术,它是将零部件、单元和连接件等通过搬运、融合、固化、胶合、密封等工艺组合成的复杂的微电子机械系统[7]。

在未来的MEMS制作技术中,MEMS技术同IC技术的结合将更加紧密,这除了需用IC工艺来制造MEMS的电路部分之外,更主要的是可以利用IC的大量昂贵设备来降低MEMS的开发和生产成本。其它一些技术如激光加工、电火花加工、离子束加工、微波加工等技术也都在发展之中。

MEMS的应用

MEMS技术经过数十年的发展,已取得了很大的进展。在微传感器方面,除较成熟的压力和加速度传感器之外,在测量力、角速度、流量、声、光、热、磁、气、离子以及生物、化学等领域也已经取得了非常令人振奋的成功。在微执行器领域,已研制成功了多种微型构件,如微膜、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、微连杆等和多种微执行器,如微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器、微马达等。在微系统方面,也有许多成功的例子,如AD公司的力平衡式角速度仪(ADXL50)、TI 公司的数字化微镜器件(DMD)等,尚在研究阶段的微系统包括微型机器人、微型飞行器、微型卫星、微型动力系统等,其潜在的军事应用前景不容忽视。

微传感器一直是MEMS研究的重点。十多年前,微传感器仅有硅压力传感器具有较大市场应用,而如今,加速度传感器已异军突起,许多其它微机械器件也正逐步商业化。MEMS已经在我们的身边:汽车安全气囊中使用的加速度计,医学上使用的新型血压计都有微传感器的身影。由于复杂程度和磨损问题等的缘故,微执行器的发展要落后于微传感器,不过仍有商业化的产品面世,如喷墨打印头、硬盘读写磁头等。
最近几年,在MEMS技术中发展起来了一支极具活力的新技术系统,这就是微光机电系统(MOEMS)[8]。目前已研制的元器件包括微镜阵列、微光斩波器、微光开关、微光扫描器等。在可以预见的将来,MOEMS将在全光通讯网络中得到广泛应用,将极大地促进信息通讯、航天技术以及光学工具的发展,对整个信息化时代将生产深远的影响。

微机械射频器件(RF-MEMS)是当前国际上研究的又一热点[9],包括微型电感、可调电容、微波导、微传输线、微型天线、谐振器、滤波器、移相器等。使用MEMS技术可以实现各个通讯部件的微型化和集成化,可以提高信号的处理速度和缩小整个个人移动系统的体积。由于移动通信的巨大市场潜力,RF-MEMS器件具有无限商机。

生物芯片(Biochip)技术是最近十年内发展起来的、结合生物技术和微细加工技术的一门新技术[10]。利用MEMS工艺技术用硅片制作出了功能完备、价格低廉、携带方便的生物芯片,它往往集样品处理、检测、分析及结果输出为一体,成为一个微型的片上生物实验室,可以完成如体液成分分析、DNA成分分析等诸多功能。

国际上许多著名的公司如Intel、TI、Analog Devices、Honeywell、Motorola等均有积极的MEMS市场开发计划。目前,非传感器类 MEMS 器件的市场还相对较小,但有理由预测,在今后十年,以MOEMS、RF-MEMS、Biochip为代表的非传感器类MEMS器件将会有明显增长。

MEMS产业化进程中的挑战

MEMS与IC产业虽然密不可分,但从市场因素看,两者的区别又很大。其一,MEMS广泛的不同用途不易产生相互促进的结果;其二,设计、生产、应用三方的合作和投资都不如相对集中的半导体产业,市场高度分散和零碎;其三,由于MEMS的个性强,很难形成相对统一的设计基础和标准制造工艺,而且封装成本较高,抵消了应用系统的附加价值,从而有碍广泛应用。

由于上述的诸多原因,MEMS产业化进程正遇到如下挑战:

□由于MEMS加工设备的昂贵以及微加工工艺的多样性,许多公司都不可能拥有自己的生产线,所以工业界迫切需要建立起价格和反应机制有效的利用MEMS加工资源。

□目前绝大多数MEMS器件都没有精确的解析模型预测其行为,所以需要高效率的模拟和仿真工具,精确预测MEMS行为,缩短开发时间,适应市场要求。

□MEMS器件的设计必须同复杂的工艺流程分离,必须开发出相应的工艺例程,提供与工艺相关的交互式设计接口,降低MEMS的设计门槛,提高器件的工艺性。

□有关MEMS封装的研究现在还处于初级阶段,MEMS器件的多样性和非密封性往往需要为每种器件单独开发相应的封装技术,需要在不影响MEMS器件性能的前提下,为设计者提供一系列标准化的封装技术。

□由于MEMS新工艺缺乏质量评估,导致成品率不高,所以需要建立MEMS技术的质量控制标准,这对提高MEMS器件的成品率有着决定性的作用。

□目前MEMS专业技术人员还非常匮乏,MEMS专业人员培养时间长、投入大,因此需要建立起有效的人才培训及保障体制。

结束语

MEMS可以说是微电子技术的又一次革命,对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响[3]。

参考文献
[1] Petersen, Kurt E., Silicon as a Mechanical Material, Proceedings of the IEEE, 1982, 70(5): 420-457
[2] Bustillo, James M., Howe, Roger T., Muller, Richard S., Surface Micromachining for Microelectromechanical Systems, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1552-1573
[3] 李志坚,微电子机械系统(MEMS)发展展望,电子科技导报,1997,1: 2-9
[4] Kovacs, Gregory T.A., Maluf, Nadim I., Petersen, Kurt E., Bulk Micromachining of Silicon, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1536-1551
[5] W. Enrfeld, et al., LIGA process: Sensor construction techniques via x-ray lithography, Technical Digest, IEEE Solid-State Sensor and Actuator Workshop, 1988: 1-4
[6] H. Guckel, High-Aspect-Ratio Micromachining Via Deep X-Ray Lithography, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1586-1593
[7] Schmidt, Martin A., Wafer-to-Wafer Bonding for Microstructure Formation, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1575-1585
[8] Richard S. Muller, Kam Y. Lau, Surface-Micromachined Micro-optical Elements and Systems, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1705-1720
[9] Clark T.-C. Nguyen, Linda P. B. Katehi, Gabriel M. Rebeiz, Micromachined Devices for Wireless Communications, Proceedings of the IEEE, 1998, 86(8): 1756-1768
[10] 朱小山,生物芯片技术和几种生物芯片的研究,清华大学硕士学位论文,2000

杨轶,清华大学微电子所,北京 100084;email: yangy01@mails.tsinghua.edu.cn,电话: 010-62789151-320