微机械加工应用趋势与前沿技术简述摘要：微机电系统（MEMS）是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间。

尤其将计算、传感和执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。

本文介绍了微机电系统近几年应用领域及前景展望，并简单阐述了关于微制造的几种前言加工技术，从而对MEMS系统有一个粗略的了解。

关键字：MEMS 应用领域前景前沿技术 LIGA技术前言微型机械加工或称微机电系统（MEMS），早在1959年就由著名的物理学家理查德·范蔓（Richard·Feynman）提出其概念，然而此后数十年间的发展并未受到过多的关注，直到近年来才逐渐发展成为一门交叉学科。

MEMS主要包括微型传感器、微型执行器以及相应地处理电路三部分。

作为输入信号的各种信号首先通过微传感器转换成电信号，经过信号处理以后，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换成另一种形式，从而将现实世界的信号（热、化学、运动等）转换成系统可以处理的信号（如电信号）。

信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。

执行器根据信号处理电路发出的指令来完成人们所需要的操作。

MEMS的快速发展只不过是10多年的时间，却已在各个应用领域显示出强大的生命力，甚至单个领域的MEMS器件就已经形成了一个较大规模的产业。

面向21世纪，MEMS将逐步走向实用化，并被广泛应用于国防、航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家庭。

在某种意义上，可认为MEMS是“信息化带动工业化”的一个典范。

一、应用领域与前景展望作为信息获取关键的传感MEMS，已成功应用于汽车、电子等行业和军事领域；在令人瞩目的信息技术和生命技术的发展中，MEMS更将发挥不可估量的作用：光MEMS被认为是开启通信之门的钥匙；RF MEMS将成为移动通信的一项核心技术；高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。

近几年，采用MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响，将关系到国民经济发展和国家发展安全保障的战略高技术，已引起了广泛的关注。

微机电系统在国防中的应用美国和西方国家为了掌握现代战争的主动权，大力发展微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人，以增加武器效能，军用武器装备的小型化是重要的发展趋势。

MEMS是未来武器中最精华的部分，为了适应这一发展的需要，主要采用的是MEMS技术制造的传感器和微系统。

大量采用MEMS器件，以改进武器性能，已成为美国发展新型高科技武器装备的方向。

根据美国防卫高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency）公布的资料，MEMS在武器装备中的主要应用领域包括以下几个方面：武器制导和个人导航的惯性导航组合；超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理；军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值守分布式传感器；小型分布式仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统；武器安全、保险和引信；有条件保养的嵌入式传感器和执行器；高密度、低功耗的大规模数据存储器件；敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学器件，以及飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动和共型表面。

航天领域对器件的功能密度要求很高。

因此，MEMS的发展，从一开始就受到航天部门的重视并得到应用。

目前，微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家。

美国LMB公司研制出翼展为45cm的微型飞行器Bat，该机飞行时间20min，飞行速度大约为64km/h，飞行高度457m，1995年，日本东北大学利用MEMS技术，制造出一个靠磁力矩驱动的飞行装置，该装置宽30mm，长20mm，重5.3mg，等等。

美国五角大楼认为，军用微型机器人的发展将有可能改变22世纪的战场。

微机电系统在汽车中的应用汽车工业在过去的20多年里已经是MEMS技术的主要用户，市场规模庞大。

在汽车里采用MEMS产品主要是为了使汽车更安全，驾驶更加舒适，达到政府要求的高燃烧效率和低排放的标准。

早在1988年出现的Smart Car的概念在今天已经成为现实，智能汽车就是以传感器和执行器的广泛应用为基础的。

目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包括50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中大约1/3的传感器采用的是MEMS 传感器，应用最多的是硅压力传感器和加速度传感器。

MEMS传感器在汽车中的应用可分为四大类：安全；发动机和动力系；舒适和便利；汽车诊断和健康监测。

微机电系统在生物医学中的应用分子、病毒和细胞的典型尺寸分别为1nm、10nm、10um，由尺寸效应可知，MEMS/NEMS 可以更灵敏、准确、低成本和微创无影响的应用于生物医疗领域。

当前，MEMS及其相关技术和产品已覆盖从检测、诊断到治疗等各种生物医疗领域，主要集中在以下几个领域：人造器官、体内显微手术、临床化验分析、基因分析、遗传诊断和试验仪器，等等。

在匹兹堡大学的Mc Govan再生医学院，正在开发一个生物合成肺来模拟人体正常肺的呼吸功能。

该MEMS装置交织着含有空气或血液的微通道。

这些微通道由细胞隔膜分开，细胞隔膜模拟正常肺的肺泡壁功能。

密苏里大学哥伦比亚分校的研究人员最近示范了一项研究进展——打印器官以器官受赠者的细胞为蓝本以确保与器官捐赠者的生物一致性，通过将打印层和构造层交替层叠的方式构造出打印器官。

二、MEMS技术经过多年的发展，目前已经取得了很大的进步。

目前，国内外制造微机电系统的微细加工技术主要有以下三类。

第一类：以日本为代表的利用传统精密机械技工技术的超精密和特种加工技术。

第二类：以美国为代表的利用化学腐蚀和集成电路工艺技术的硅基微加工技术。

第三类：以德国为代表的LIGA及其相关技术。

微制造技术是MEMS进一步发展的基础，由于MEMS应用对结构、器件和系统在材料、设计、加工、机电系统集成、封装、测试和可靠性等方面的苛刻要求，目前微制造技术仍然还有很多问题有待进一步解决。

特种微细加工技术微细特种加工技术的实用化研究得益于20世纪80年代中期日本东京大学增泽隆久所在的研究室所发明的线电极电火花磨削技术，并在20世纪90年代得到了重大发展，随后出现了微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工，以及微细激光加工等技术。

硅微机械加工技术微机电系统制造技术是在集成电路工艺和理论的基础上发展起来的。

微机电系统制造技术中除了特种微细加工外，还大量应用了常规的集成电路工艺，如光刻、氧化、掺杂、淀积等微细加工技术。

这类工艺是迅速发展微机电系统的关键工艺。

常规的集成电路工艺主要包括：晶体生长、晶体加工、晶片制备、薄膜成型、光刻、掺杂、蚀刻、切片和封装。

表面微加工技术表面微加工是微机械器件完全制作在基片表面而不穿透基片表面的一种加工技术。

典型的表面微加工需要依靠牺牲层技术。

所谓牺牲层技术，就是在为结构中嵌入一层材料，在后续工序中利用化学腐蚀方法将这层材料溶解释放掉，而不影响结构层本身，这层材料就成为牺牲材料。

这种做法的目的就是分离结构和衬底晶片，制作可变形或可运动的微结构。

表面微加工器件由三种典型的部件组成：牺牲层部分、结构层部分和绝缘层部分。

在实际的制造中，单晶硅片是主要衬底材料，化学气相淀积多晶硅或氮化硅是主要结构层材料，氮化硅薄膜同样可用于微电子结构钝化，它对水蒸气和钠具有良好的扩散阻碍作用，牺牲层通常是通过LPCVD技术将磷硅玻璃或者二氧化硅沉积在衬底上形成，还可以是厚度可达数百微米的多孔硅材料。

体微加工技术体微加工技术，是指利用腐蚀工艺，选择性去掉硅衬底，对体硅进行三维加工，形成微机械元件（如槽、平台、膜片、悬臂梁、固支梁等）的一种工艺。

硅体微加工技术是最早在生产中得到应用的技术，并在20世纪70年代到80年代得到了发展。

目前体微加工主要用于微传感器和微执行器，如压力传感器、加速度传感器、触觉传感器、微热板、红外源、微泵、微阀等。

体微加工技术包括腐蚀和自停止腐蚀两种关键技术。

腐蚀又分为湿法腐蚀和采用气体腐蚀剂的干法腐蚀，对应有不同的自停止腐蚀方法。

键合技术键合技术是制作微传感器、微执行器和较复杂的微结构的连接方法。

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、氧化层、玻璃或其他材料紧密连接在一起形成一个整体。

硅片键合技术经过几十年的发展，已经形成了适合不同领域的多种键合技术，按照硅片之间有无中间层，硅片键合技术分为两大类：无中间层键合技术和有中间层键合技术。

无中间层键合技术主要有阳极键合技术（也称硅—玻璃静电键合技术）和硅—硅直接键合技术（也称硅热键合）。

有中间层键合技术按照中间层的不同可分为：金—硅共熔键合技术、焊料键合技术、玻璃釉料键合技术、黏合剂键合技术、共晶键合技术等。

在MEMS工艺中，键合是一项关键技术，通过键合可把MEMS部件组装成完整的器件，通常把整个硅片或者每个小单元进行键合在一起。

首先，可以用键和工艺来制作绝缘体硅片（SOI）。

使用SOI硅片制作的MEMS器件可以减少寄生电容和泄漏电流，具有很好的器件特性。

其次，键合技术不仅可以在制作微传感器和微结构中使用灵活多样，还可以得到比较微小带有空腔的结构，并可以满足多层结构的需要。

LIGA技术与准LIGA技术LIGA技术包括深层同步X射线光刻、电铸成型及塑料铸模三个重要环节。

LIGA技术的工艺路线示意图准LIGA技术（也称LIGA技术的变体），记载取代昂贵的X光源和特质掩膜版的基础上开发新的三维微加工技术，其中有紫外线(UV)LIGA、激光(Laser)LIGA、硅深刻蚀工艺的SI-LIGA，以及用离子束刻蚀的IB-LIGA技术等。

目前，LIGA与准LIGA技术已经开发和制造了微传感器、微光学元件、纳米技术元件和系统等。

LIGA技术相对于微制造技术具有一些优势，且具有柔性。

这种技术的实用性和加工的柔性正是通过更先进的工艺、牺牲层技术、多层和倾斜曝光技术、与其他微制造通过多道加工或装配形式形成复合工艺等得以进一步的加强和扩展。

总结MEMS研究在国际上正在进入一个黄金时期，MEMS的基础理论研究、加工技术、跨学科交叉应用等都是全新的研究领域。

在未来的发展中，MEMS领域需要更多的人做出更大的努力，给人类社会带来更多的惊喜，不断提高我们整个世界的品质。

就如美国国家自然科学基金会主席比门特所预测的：微型机械“将成为新崛起的大规模产业，它将引起一场新的工业革命”。