收稿日期: 1999—12—05 基金项目: 国家自然科学基金资助重大项目(59235110)
论会, 许多微型机电系统的先驱者参与了这次会 议。其后来自M IT、B erkeley、Stanfo rd、A T &T 和 N SF 的 15 名科学家提出了《小机器, 大机遇: 关于 新兴领域—— 微动力学的报告》的国家计划建议 书, 并声称:“由于微动力学(微系统) 在美国的紧迫 性, 应该在这样一个新的重要技术领域与其他国家 的 竞争中走在前面”。美国 N SF 启动了第一个 M EM S 计划, 美国国防部先进研究计划署 (T he
国际微型机电系统的学术会议和参加人数多, 除M EM S 和 T ran sducers 会议外, 又出现了一些 专门的会议, 如汽车微系统、生物芯片技术、微化学 分析系统、微机器人、微小卫星, 等等。关于M EM S 发展应用和产业化预测的文章和报告也逐渐增加, 出现了世界性或地区性 (如欧洲) 的产业化讨论会
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
文章编号: 100电系统
周兆英 王晓浩 叶雄英 王伯雄 李 莎 刘卫丹
摘要: 分析了微型机电系统的特点、主要科学技术问题、应用和市场。 预计到 2003 年微小系统的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的一半。 简介 了我国的研究情况。国际上微型机电系统技术刚走向全面发展, 正是我国发展 该领域的好时机。
(4) 微系统材料 这是一个重要的研究课题, 包括半导体、金属、陶瓷、聚合物、特种玻璃、石英和 钻石等。 表面性能优的薄膜材料、微致动的功能材 料、微系统的光学材料 ( 如微小激光器材料、用于光 谱仪的分光复合材料和用于光波导的聚合物材料 等)、微能源材料, 等等。
( 5) 封装 这是M EM S 的关键技术, 如真空 封装、阻尼控制封装、多芯片封装 (M CM ) 工艺、硅 帽预封装技术, 等等。 有的封装可能占M EM S 价 格的 80% 以上。
( 6) 测试技术 包括M EM S 工艺、材料和结 构的各种特征参数测试, 以及M EM S 器件和系统 的动静态特性测试; M EM S 器件微弱信号和微小 物理量的测试技术。
(7 ) 可 靠 性 M EM S 可 靠 性 问 题 是 许 多 M EM S 实验室产品不能走向市场的原因之一。 M EM S 失效模型、系统级可靠性建模、可靠性的定 标和评价都是值得深入研究的课题。 3. 2 系统集成
议, 目的在于研究M EM S 的进展、促进其产业化 和研究微小化技术的经营策略。 估计到 2003 年 M EM S 的市场约为 400 亿美元, 是商用航空业的 一半。 有人用专利增长率来说明M EM S 的发展
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(见图 1) , 专利是一个领先的指标。专利代表 R &D 投资, 每个投资约 1000 万美元, 每个专利代表 200 多工作日。1996 年美国为 160 项, 每年增长 34% ; 世界专利为 180 项, 每年增长 37%。
1959 年美国物理学家、诺贝尔奖获得者 R. Feynm am 就提出微型机械的设想。1962 年微小器 件的先驱——硅微压力传感器问世, 其主要技术基 础是硅膜、压敏电阻和体硅腐蚀工艺。 其后用硅加 工方法开发出尺寸为 50 Λm～ 500 Λm 的齿轮、齿 轮泵、气动轮及连接件等微型机构。
1987 年美国加州大学伯克利分校研制出转子 直径为 60 Λm～ 120 Λm 的硅微静电电机, 主要技 术基础是牺牲层腐蚀工艺和静电驱动, 显示用硅微 加工方法可以制作三维可动的机电系统。 1987 年 10 月 9 日 IEEE 的机器人和自动化委员会组织讨
M EM S 带来了全新的概念, 改变现有系统把 信息获取、计算 (分析、判断或决策) 和执行功能分
割开来的状态。智能集成微系统( I2S) 是传感器(物 理、化学或生物的)、微结构、IC s、执行器和小型通 讯系统(R F、光学等) 的集成。智能微系统从本质上 是微机械和 IC 的组合。 硅微加速度计便是一个最 简单而成功的例子。它包括一个微加工的多晶硅梳 状结构 (0. 6 mm 2) 和在同一芯片上的B iM O S 信号 处理电路, 整个尺寸为 3 mm ×3 mm , 见图 4。它的
我们指的微型机电系统是一个广义的概念, 并 强调它是各种各样的微系统发展的技术平台。至少 出现了 F - M EM S 和M EM S- D 两类名称, 前者 表示用于各种领域的M EM S, 如 B ioM EM S, O p 2 toM EM S, Chem icM EM S, Pow erM EM S, IT 2 M EM S, …, 后者表示M EM S 的器件, 如M EM S - R F , M EM S - sw itch …。 也 可 以 被 称 作 R FM EM S, W irlessM EM S…。
( 2)M EM S 的产品设计 包括器件、电路、系 统和封装四方面的设计。 要开展设计、开发和制造 的并行工程, 开发包括微流体、电子、动力学、光学、 电磁场的复合 CAD 系统, 其仿真必须穿过域的壁 垒。M EM S CAD 至少有如下特点: 多学科交叉, 采 用快速有效算法; 作为联系掩膜、工艺和三维模型 的桥梁, 必须有结构仿真器;M EM S 的制造过程不 仅改变结构的几何轮廓, 还改变材料的性质, 影响 结构的电子和机械特性, 这种改变贯穿于整个制造 过程; 建立典型结构的设计软件包, 如加速度计的 梳状微结构、微泵的薄膜结构等, 以提高建模、仿真 的速度和精度。
中国机械工程第 11 卷第 122 期 2000 年 2 月
图 1 微型机电系统专利的增长
从微米 纳米技术研究的技术途径看,M EM S 是用光刻刻蚀等微细加工方法, 将大的材料割小, 形成结构或器件, 并与电路集成, 实现系统微型化, 亦称为由大到小 (top - dow n) 的途径; 另一种技术 途径是采用分子、原子组装技术的办法, 即把具有 特定理化性质的功能分子、原子, 借助分子、原子内 的作用力, 精细地组成纳米尺度的分子线、膜和其 它结构, 进而由纳米结构与功能单元集成为微系 统, 这称为由小到大 (bo ttom - up ) 的途径。在此尺 度下的物理、化学和力学特性与大尺寸材料有明显 的差异。
虽然第一个硅平面工艺专利发表于 1952 年, 但是直到 20 世纪 90 年代初, 才出现用硅平面工艺 生产带有信号处理电路的微型加速度计 (以AD 公 司为代表) , 主要设计基础是梳状结构和微电容检 测电路, 实现了微小机械结构与电路的一体化集 成。
近年来, 研究的兴趣不只在小型化, 而重视宏 微观领域内的多学科交叉, 发展出机、电、光、生、化 的多学科 Sy stem In teg ra t ion , Sy stem on Ch ip 和 L ab on Ch ip 的M EM S 广阔领域。
微型电子机械系统 (m icro electro - m echan i2 ca l sy stem s,M EM S) 是美国惯用词。M EM S 侧重 于用集成电路可兼容技术加工元器件, 把微电子和 微机械集成在一起。 它是指可以批量制作的, 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、通讯和电源等于一体的微型 器件或系统, 见图 2。 也有人称为微型光机电系统
(3)M EM S 的加工 该技术尚不完善, 还存在 着可加工的结构和材料限制, 复杂结构加工的可靠 性、成品率、可重复性还不理想。硅微加工工艺也不 全同于 IC 工艺, 正在不断地发展中, 如硅微静电电 机采用了三层结构、两次牺牲层工艺。 由多层模版 制作出三维可动机构。执行器直径约为 100 Λm , 转 子与定子的间隙约为 1 Λm～ 2 Λm , 当工作电压为 35 V 时, 转速达15 000 r m in。
2 定义
国际上对微型机电系统尚无严格的统一定义, 各国不同的名词强调了不同的方面, 在一定程度上 反映了其研究范围和侧重点。
日本 1988 年使用“微型机械”(m icrom ach2 ine) 一词, 它是从大机器到制造小机器而发展起来 的。 1989 年日本通产省把它用作国家大型计划的 名称。微型机械侧重于在不大于 1 cm 3 的体积内制 造复杂的机器。一些日本学者曾大致地这样划分: 1 mm～ 10 mm 为小型机械; 1 Λm～ 1 mm 为微型机 械; 将来有可能借助于生物工程和分子组装实现 1 nm～ 1 Λm 的纳米机械或分子机械。
这些不同的名词实际上指同一领域。国际电技 术 委 员 会 ( In terna t iona l E lect ro techn ica l Com 2 m ission ) 的定义强调了这种共性:“微系统是微米 量级内的设计和制造技术。 它集成了多种元件, 并 适 于 以 低 成 本 大 量 生 产。”有 人 通 称 M EM S M ST M icrom ach ine 技术为M 3 技术。
3 当前微型机电系统发展的特点
3. 1 制造创新 (1) 微制造技术是M EM S 发展的基础 起初
微机械结构是电器工程师做出来的, 后来机械、物 理、化学、生物的研究人员加入M EM S 的研究。目 前用于微型机电系统的三类主要微细加工技术是, 以硅表面加工和体加工为主的硅微细加工、利用 X
微型机电系统 —— 周兆英 王晓浩 叶雄英等
射线 光 刻、电 铸 的 L IGA 工 艺 ( 德 文 lithog rap h ga lvanfo rm ung und abfo rm ug 的缩写) 和精密机 械 加工 ( 如微细电火花加工 EDM 、超声波加工 等)。M EM S 对设计、材料、加工、机电系统集成、封 装、测试和可靠性技术都提出新的要求。
(m icro op to - elect ro - m echan ica l sy stem s, M O EM S)。
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近来, 欧洲把微系统 (m icro sy stem s,M ST ) 定 义为一种智能的微小系统, 它具有传感、信号处理 和 或致动功能, 通常组合了两个或多个电、机、光、 化学、生物、磁或其它特性的微型元器件, 集成为一 个或多个混合芯片。强调微系统技术的系统方面的 和多学科性质 (见图 3)。微全分析系统被称为m i2 cro to ta l ana ly sis sy stem s (ΛTA S)。