第36节-微机械及其微细加工技术
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3.6 微机械及其微细加工技术
一、 引言
随着科学与技术 (Micro/Nano Science and Technology)的发展，以本身形状尺 寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已 成为人们在微观领域认识和改造客观世界 的一种高新技术。
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。
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：
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
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。
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。
• 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
• 在欧洲则称作Micro System（微系统）
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） 。
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。
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。
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。
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
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：
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
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。
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
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) ，
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。
3.6 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。
Fra Baidu bibliotek
3.6 微机械及其微细加工技术
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。
一、 引言
随着科学与技术 (Micro/Nano Science and Technology)的发展，以本身形状尺 寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已 成为人们在微观领域认识和改造客观世界 的一种高新技术。
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。
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：
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
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。
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。
• 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
• 在欧洲则称作Micro System（微系统）
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） 。
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。
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。
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。
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
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：
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
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。
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
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) ，
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。
3.6 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。
Fra Baidu bibliotek
3.6 微机械及其微细加工技术
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。