微机械及其微细加工技术

3.6 微机械及其微细技术加工
逆压电效应（或称电致伸缩）：若对压电 材料施加电场作用时，会引起材料内部正 负电荷中心的相对位移，导致材料变形， 应变与外电场强度成正比，应变的方向与 电场方向有关。
3.6 微机械及其微细技术加工
除石英晶体外，还有压电陶瓷、压电高分 子材料和压电半导体等。由于压电陶瓷具 有微小位移且精度高的突出优势，适应微 机械、微机器人微小位移控制的要求
3.6 微机械及其微细技术加工
• 形状记忆合金 利用形状记忆合金的记忆特性可以制成对环境 温度敏感的热响应执行器，也可利用形状记忆 合金的导电特性进行电加热，构成电驱动执行 器。
• 超磁致伸缩材料 材料在磁场作用下，其长度或形状发生伸长或 缩短的现象，具有较大磁致伸缩应变的材料称 为超磁致伸缩材料。超磁致伸缩材料可承受比 压电陶瓷高一个数量级的应变，制成的超高精 密致动器具有高的精度和大的输出力。
• 美国国家自然科学基金、先进研究计划、 国防部等投资1.4亿美元进行微机电系统 技术的研究。
3.6 微机械及其微细加工技术
• 欧共体为了加强各国之间的组织和合作， 成立了NEXUS（多功能微系统研究合作 机构）组织。德国20世纪80年代中期发 展的LIGA工艺，研究人员在实验室里制 造出了微传感器、微电机、微执行器、 微型流量计以及直径为数百微米的金属 双联齿轮等微机械零件。
微加速度计：用于汽车安全气袋系统中，检测和 监控前面和侧面的碰撞。
微角速度计：用于车轮侧滑和打滚控制。
微型继电器等。
3.6 微机械及其微细加工技术
4. MEMS军事应用展望 军事领域是微机电系统技术的最早应用 领域。
3.6 微机械及其微细加工技术
汽车工业
安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺
36微机械及其微细加工技术?汽车工业?安全气囊加速计发动机压力计自动驾驶陀螺?武器装备?制导战场侦察化学震动武器智能化?生物医学?疾病诊断药物研究微型手术仪器植入式仪器?信息和通讯?光开关波分复用器集成化rf组件打印喷头?娱乐消费类?游戏棒虚拟现时眼镜智能玩具36微机械及其微细加工技术微机电技术已经受到工业发达国家的高度重视
特征尺寸：决定器件性质和加工工艺的关 键尺寸。如扩散硅压力传感器的膜厚。
3.6 微机械及其微细加工技术
由于微机电系统的基于微电子技术 的背景（从微机械的加工方法来看，它 主要起源于硅集成制造技术），使其具 有集成电子器件所具有的微小、可靠、 灵敏、低耗、高效、成本低、适于大批 量生产等系列优点。
3.6 微机械及其微细加工技术
汽车内安装的微型传感器已达几十个，用来传感 气囊、压力、温度、湿度等的情况，以及进行智 能控制。其中用于制导、卫星控制的微惯性传感 器及微型惯性测量组合在汽车中可用于自动驾驶、 防撞气囊、防报死系统（ABS）等。
微型压力传感器：检测发动机进气管压力，微机 据此控制发动机的工作状态，如最省油或排污最 少的状态。
• 血管成形手术：在动脉中推动一个小气 球来清除动脉壁上的硬化瘢块。 通过注射或吞服法将微机械加工法 制成的微型压力传感器放到气球里面， 医生通过它可以知道瘢块清除工作进行 得怎样。
• 通过微机械加工技术已经能够制造出可 以夹起一个红细胞的微型镊子。
3.6 微机械及其微细加工技术
3. MEMS在汽车工业的应用
国外一些有实力的半导体公司和研 究机构对微机械的研究非常重视，已研 制开发出许多有特色的产品。
3.6 微机械及其微细加工技术
目前，微机械的研究正在从基础 研究逐步迈向研制开发与实用阶段。 许多微传感器、微执行器以及微光 学部件已经在某些行业得到应用。
3.6 微机械及其微细加工技术
目前微机械研究分为理论研究、技术基础 研究及应用研究三部分。
武器装备
制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化
生物医学
疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器
信息和通讯
光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电技术已经受到工业发达国家的 高度重视。从微机电发展的总体水平看， 许多关键技术已经突破，正处于从实验 室研究走向实用化、产业化阶段。
3.6 微机械及其微细技术加工
• 压电材料 一些离子型晶体的电介质存在压电效应 (如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)。可利 用压电效应实现驱动或开发微型传感器。
3.6 微机械及其微细技术加工
正压电效应：在压电材料的一定方向上施 加机械力而产生变形时，就会引起它内部 正负电荷的迁移而产生电的极化，从而导 致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反 的电荷，且其电荷密度与外应力成正比。
微机械具有以下几个基本特点： 1.体积小(特征尺寸范围为lnm～10mm) ，
精度高，重量轻，惯性小。
2.性能稳定，可靠性高。 微机械器件体积极小，封装后几乎
可以摆脱热膨胀、噪声和挠曲等因素的 影响，具有较高的抗干扰性，可以在比 较恶劣的环境下稳定工作。
3.6 微机械及其微细加工技术
3.能耗低，灵敏性和工作效率高（响应时 间短） 。
3.6 微机械及其微细加工技术
微机械设计技术包括：微结构设计、弹塑 性有限元分析、CAD/CAM技术、数据库技 术、微系统建模与仿真等。
微细加工技术：微机械的技术关键，目前 常用的方法包括起源于半导体IC加工工艺 的硅微细加工、微细电火花加工等特种精 密加工、LIGA技术、微组装技术等。
3.6 微机械及其微细加工技术
(3) 微型化学传感器及微型粘度仪
利用微机械薄膜（厚度仅3um）对化学分子的 吸收，改变薄膜的体积，导致性能发生改变。
3.6 微机械及其微细加工技术
2. MEMS在医疗和生物技术领域的应用
生物细胞的典型尺寸为1～10um，生 物大分子的厚度为纳米量级，长度为微 米量级。微型器件尺寸也在这范围之内， 因而适合操作生物细胞和生物大分子。 另外，临床分析化验和基因分析遗传诊 断所需要的各种微泵、微阀、微镊子、 微沟槽、微器皿和微流量计等。
3.6 微机械及其微细加工技术
因此，许多宏观物理量进入微观尺度 后甚至需要重新定义。相关学科，如微电 子学、微机械学、微光学、微动力学、微 流体力学、微热力学、微摩擦学、微结构 学和微生物学等共同构成了微机械研究的 理论基础。
3.6 微机械及其微细加工技术
2、技术基础
微机械涉及的基础技术主要有：微机械设 计，微机械材料，微细加工，集成技术， 微装配和封装，微测量，微能源，微系统 控制等。
微传感器+信号和数据处理电路（含控 制软件）+外显示器或微执行器
3.6 微机械及其微细加工技术
(1) 微光谱仪
(2) MEMS显示器
美国Texas Instruments研究用于投影显示装置 的数字驱动微镜阵列芯片（Digital Micromirror device-DMD）。已成功利用 768×576像素的DMD芯片制出彩色电视投影仪。 DMD芯片利用硅表面微加工工艺制作，一个微 镜的尺寸仅16um×16um。
3.6 微机械及其微细加工技术
• 微机电系统是指特征尺寸在微米至毫米 范围内，由电子和机械组成的集成化器 件或系统。按外形尺寸，微机械可划分 为110mm的微小型机械,1m1mm的微机 械，以及1nm1m的纳米机械。
图1
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统器件不能用总尺寸来定义，而 用特征尺寸来表征。
1.表现在活动空间、操作对象和工作环境 上。 微机械能够进入极狭小空间进行作 业，且不易对环境造成不必要的影响与 破坏。微机械还可以面对很脆弱、易损 伤的工作对象。微机械还可出现于人类 所不能及或不适宜的工作环境。
3.6 微机械及其微细加工技术
2.与一般机械相比，微机械所表现出的智 能化程度更高、实现的功能更趋于多样 化。
1、理论基础
当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象 与宏观世界有很大差别。在微观尺寸领域， 与尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力 (L8)等的作用相对减小，而与尺寸的低次方 成比例的黏性力、弹性力(L2)、表面张力 (L1)、静电力(L0)等的作用相对增大，同时 表面积(L2)与体积(L3)之比增大，热传导、 化学反应等加速和表面间的摩擦力显著增 大。
微机械及其微细加工技术
3.6 微机械及其微细加工技术
微机械是80年代末出现的一门崭新的 学科，被誉为21世纪最具代表性的技术之 一。
微机电系统与微电子学、信息学、材 料科学和纳米技术的发展等密切相关。被 公认为21世纪的重点发展学科，是国家重 点发展的高技术产业。
微机电系统是微电子技术的延伸和拓 宽，通过传感器、致动器、信号处理、控 制等多项功能，与外部世界有机联系起来。
3.6 微机械及其微细加工技术
3、应用研究
微机械在精密仪器、生物医学，特别是空 间狭小、操作精度高、功能高度集成的航 空航天设备领域，有着巨大的应用潜力。
3.6 微机械及其微细加工技术
二 微型机械发展现状及展望
1. 微型仪器
微型仪器实际上就是具有仪器功能 的MEMS产品，是MEMS技术与微电子技术 综合集成的产物。它具有一般仪器具有 的监测、测量、分析、诊断、控制和执 行功能，是一种新型的智能结构。其基 本结构模式为：
3.6 微机械及其微细加工技术
微机电系统的概念始于20世纪80年代， 一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围内 的装置。在不同国家和地区有不同的术 语和解释：
• 美国称作 Micro Electro-Mechanical System - MEMS（微型电-机系统）
微型电-机系统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。
3.6 微机械及其微细加工技术
• 增高体温法治疗癌症：利用超声波或无 线电波的能量把身体某一部位加热到 430C以杀死癌细胞。 在治疗时温度不够效果就不好，温度 过高又会伤害周围的组织，医生很难判 断肿瘤部位是否达到这个温度。美国斯 坦福大学研究所研制的微型温度传感器 可注射到肿瘤中去。
3.6 微机械及其微细加工技术
完成相同的工作，微机械所消耗的 能量仅为传统机械的十几或几十分之一， 却能以数十倍以上的速度运作。微机电 系统不存在信号延迟等问题，从而更适 合高速工作。
4.多功能和智能化。集约高技术成果，附 加价值高。
5.适于大批量生产，制造成本低廉。
3.6 微机械及其微细加工技术
具有以下一般机械所不能及的优势：
• 日本制定了纳米制造计划、埃技术计划、 微型机器人计划。目前日本共有以企业 为中心的60多个微机电系统研究组。成 立了微机械中心和微机械学会。
3.6 微机械及其微细技术加工
• 我国的微系统研究起步并不晚，目前从 事微机电系统研究的单位有60多个，主 要集中在高校、中科院及信息产业部的 研究所。已积累了一些基础技术，取得 了一些传感器和微执行器的研究经验和 科研成果，多数为实验室产品，商品化 工作刚刚起步，离产业化要求相距甚远。
微系统测量技术：设计材料的机械性能、 微构件或微系统参数与性能测试等，微型 薄膜构件的弹性模量、泊松比、拉伸强度、 残余应力、韧性等。在测量基础上建立相 关的数据库和数学、力学模型，从而进一 步服务于以后的设计、制造、改进以及测 量过程。
3.6 微机械及其微细加工技术
微系统的集成与控制：涉及系统设计、微 传感器或微执行器与控制处理电路的集成、 能源供给、接口通讯等。
3、硅具有压阻效应、霍尔效应。 4、硅材料密度小，为不锈钢的1/3，而弯 曲强度却为不锈钢的3.5倍。
与应变成正比。
霍尔效应：霍尔效应是磁电效应的一种，
将 磁一 场块B 半，导沿体X方或向导通体以材工料作，电沿流Z方I，向则加在以Y
方向产生出电动势V ，如图所示，这现象 称为霍尔效应。 V称为霍尔电压。
3.6 微机械及其微细技术加工
二、微机电系统材料
• 硅材料 微机械加工源自于微电子集成制造，所 以在微机电系统材料中，硅是最常用的 材料。硅具有良好的机电合一特性。
3.6 微机械及其微细技术加工
特点：
1、既有足够的机械强度，又有良好的电 性能，便于实现机电器件的集成化。
2、硅的加工精度比较高，容易生成绝缘 薄膜。
3.6 微机械及其微细加工技术
• 在欧洲则称作Micro System（微系统）
是指具有微米级结构，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、甚至外围接 口、通信电路和电源等于一体的微型器 件或系统。
• 在日本称作Micro Machine（微机器）
微机器由只有几毫米大小的功能元件组 成，它能够执行复杂、细微的任务。