淺析微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)研究綜述

杜楊

摘 要：微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)是可使制品微型化、集成化并以硅作為加工材料。該技術(shù)可分為體微機(jī)械加工、表面微機(jī)械加工、金屬微機(jī)械加工和復(fù)合微機(jī)械加工四類。所采用的基礎(chǔ)技術(shù)主要有：腐蝕技術(shù)、硅鍵合技術(shù)、多層無應(yīng)力薄膜沉積技術(shù)、犧牲層技術(shù)、LIGA 技術(shù)以及以上技術(shù)的復(fù)合，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用廣泛。本文闡述了微電子機(jī)械系統(tǒng)的概念，分析了微電子機(jī)械系統(tǒng)加工工藝，最后提出來MEMS技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及展望。

關(guān)鍵詞：微電子機(jī)械系統(tǒng)；研究綜述

微電子機(jī)械系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為MEMS）就是利用微細(xì)加工技術(shù)，把電子和機(jī)械器件集成在一微小空間內(nèi)，并能完成一定功能的優(yōu)化復(fù)雜系統(tǒng)。而與其相關(guān)的一系列技術(shù)，如制造技術(shù)、微檢測(cè)技術(shù)、微系統(tǒng)分析及控制技術(shù)等，則統(tǒng)稱為微電子機(jī)械技術(shù)，簡(jiǎn)稱為MEMT）。早在70年代初，人們就已開始了有關(guān)微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的研究，直到80年代中后期，這個(gè)領(lǐng)域才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，并已成為以美國(guó)、日本、德國(guó)為代表的許多發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)是自微電子技術(shù)問世以來，人們不斷追求高新技術(shù)裝置微型化的必然結(jié)果，有著及其廣泛的應(yīng)用前景，因而被列為二十一世紀(jì)關(guān)鍵技術(shù)之一。

一、微電子機(jī)械系統(tǒng)的概念

微機(jī)電系統(tǒng)是一種集成了微電子電路和微機(jī)械致動(dòng)器的微小器件或裝置，它可根據(jù)電路信息的指令，控制致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)機(jī)械操作，還可以利用傳感器接收外部信息，將轉(zhuǎn)換出來的信號(hào)經(jīng)電路處理放大，再由致動(dòng)器變?yōu)闄C(jī)械操作，去執(zhí)行命令。可以說，微機(jī)電系統(tǒng)是一種獲取、處理信息和執(zhí)行機(jī)械操作的集成器件。研究微機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)、材料、加工、檢測(cè)和應(yīng)用的學(xué)科叫做微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)。MEMS并不是傳統(tǒng)機(jī)械電子的直接微型化，在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、尺度、材料、制造工藝和工作原理等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)機(jī)械電子的概念和范疇。它可以說是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，將微電子、一體的系統(tǒng)，這是一種面向新世紀(jì)的高新技術(shù)，其意義和應(yīng)用將涉及航空航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)工程、太空探險(xiǎn)、深海探查等領(lǐng)域，因此一旦技術(shù)上成熟并形成產(chǎn)業(yè)，將對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)乃至社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。它主要由微型傳感器、執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路部分組成。

二、微電子機(jī)械系統(tǒng)加工工藝分析

在微電子機(jī)械系統(tǒng)中，硅微機(jī)械加工是主要的加工技術(shù)，對(duì)制作微傳感器和微執(zhí)行器提供了有效的技術(shù)支持，因此對(duì)微電子機(jī)械加工工藝的研究主要針對(duì)硅微電子機(jī)械系統(tǒng)的加工工藝，主要分為以下幾種：

1. 鍵合

鍵合是指在不使用粘合劑的情況下，借助化學(xué)鍵和物理作用將材料進(jìn)行緊密的結(jié)合，一般而言是將硅與硅直接結(jié)合，將硅與玻璃進(jìn)行靜電鍵結(jié)合。這種加工工藝操作簡(jiǎn)單方面，結(jié)合效果好。

2. 腐蝕

腐蝕是硅微電子機(jī)械系統(tǒng)最為常用的加工工藝，主要是將硅微腐蝕成型，一般分為濕法腐蝕和干法腐蝕，前者的操作簡(jiǎn)單、成本低且效果好，成為微電子機(jī)械加工中使用最廣泛的工藝，后者主要是借助離子刻蝕和激光加工。

3. 擴(kuò)散

擴(kuò)散是摻雜工藝的一種，主要是在高溫的條件下，向半導(dǎo)體晶片的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，進(jìn)而改變雜質(zhì)的分布情況，最終影響到整個(gè)微電子系統(tǒng)的運(yùn)作情況。

4. 光刻

光刻是借助照相復(fù)印的理論，將光刻版上的圖形復(fù)印在金屬蒸發(fā)層上，然后有選擇性的進(jìn)行化學(xué)腐蝕，得出相應(yīng)的圖形，可見，光刻是將復(fù)印圖像和化學(xué)腐蝕結(jié)合的一種加工工藝，其基本思想是利用光刻刻蝕出一定的圖形，然后借助化學(xué)腐蝕技術(shù)將周圍的多余材料進(jìn)行腐蝕。

5. 氧化

氧化主要是將硅置于高溫爐內(nèi)，使硅片表面形成一層薄膜，然后再借助干氧化和濕氧化進(jìn)行處理，在這一過程中要注意氧化層的生長(zhǎng)速度以及氧化穩(wěn)定和水汽含量的變化。

可見，隨著技術(shù)的進(jìn)步和工藝的不斷發(fā)展，用于微電子機(jī)械加工的工藝標(biāo)新立異，為機(jī)械加工制作提供了重要的技術(shù)支持。

三、MEMS技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)及展望

21世紀(jì)微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）將在機(jī)器智能化、生物模擬、信息科學(xué)方面取進(jìn)展。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展———MEMS器件加工工藝和加工手段的多樣化，系統(tǒng)單片集成化等，可以將擁有高性能傳感器和處理器的MEMS器件嵌入機(jī)器中，傳感器可以從外部環(huán)境中獲取各種詳細(xì)的信息，處理器就地處理、判斷這些信息，然后通過反饋回路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置在最短的時(shí)間內(nèi)做出正確的反應(yīng)，使機(jī)器具有智能化。MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，使微電子機(jī)械部件的尺寸越來越小，甚至達(dá)到生物細(xì)胞的尺寸數(shù)量級(jí)。這些微電子機(jī)械部件能夠模擬生物器官的功能，將許多這樣的微電子機(jī)械部件并聯(lián)和串聯(lián)起來，可以自由地控制、操作細(xì)胞和生物大分子，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，可廣泛應(yīng)用于外科手術(shù)、人造器官以及基因工程。在信息科學(xué)方面，本身具有信息的采集、處理、傳輸和存儲(chǔ)的MEMS器件無疑是將來信息交換的根本。

MEMS技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。21世紀(jì)MEMS將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瑢?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、航空、航天、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國(guó)防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，人類的生產(chǎn)和生活方式也會(huì)因此而發(fā)生某些改變。

四、結(jié)語

MEMS技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。MEMS技術(shù)是80年代中期國(guó)際上崛起的一項(xiàng)非常值得重視的高新技術(shù)，經(jīng)過10余年的功夫，一代嶄新的MEMS產(chǎn)品已經(jīng)問世并推向市場(chǎng).它們的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用必將對(duì)許多領(lǐng)域，如工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、航空、航天、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國(guó)防和科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙淳生，陳啟東.微型機(jī)械的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀和應(yīng)用[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，1998，18（1）.

[2] 林良明，顏國(guó)正，宋一然.微機(jī)械技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療工程的研究[J].中國(guó)醫(yī)療器械雜志，1999，23（5）.