全面的微系统技术

一、微系统技术

在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。

微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。

在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。RGT是静电微执行器的最早实例。

佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴，如图1-1所示。气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。

图1-1

在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。

20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（德州仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。

相对于宏观的机电传感器，微系统技术技术带来了两个重要的优点，即高灵敏度和低噪声。同时，由于微系统技术技术采用批量生产，而不是采用手工组装的方式，有效地降低了传感器的使用成本。

20世纪90年代后期，光微系统技术发展迅速。世界各地的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器，相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。

生物微系统技术包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的微系统技术

研究和应用。由于生物微系统技术结构和器件的尺寸大小、集成功能多，它们已经在一些医疗方面得到应用，例如视网膜植入，耳蜗植入、嵌入生理传感器以及含有传感器的智能手术工具等。

二、微系统技术的本质特征

2.1小型化

毫无疑问，微系统技术将会不断有新的应用领域。技术发展和商业化的原因有时候并不完全相同。然而，微系统技术器件和微加工技术具有三种特点，称为“3M”，即小型化、微型电子集成及高精度的批量制造。典型的微系统技术器件

~1cm之间，当然，微系统技术器件阵列或整个微系统的长度尺寸大约在1m

技术系统的尺寸会更大一些。小尺寸能够实现柔性支撑、带来高谐振频率、低热惯性等很多优点。然而小型化带来的并不全是更好的特性，也可能带来问题。有些在宏观尺度下非常显著的物理效应，当器件尺寸变小以后，性能可能会变得很差。与之相反，有些对于宏观器件可忽略的物理效应，在微观尺寸范围内会突然变得突出，这称之为比例尺度定律。这人定律可以有效解释物理学在不同尺寸下的作用规律。例如，跳蚤可以跳过自身高度的几十倍，而大象则根本不能跳。定性观察表明：重量小的物体受重力影响小、小型化可以带来更快的速度、高功率密度和高效率。

尺度效应是微系统技术中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常得要的原因，随着尺寸的减小，表面积（2L）与体积（3L）之比相对增大，表面效应十分明显，这将导致微机电系统的受力环境与传统机电系统完全不同。以潜水艇为例，当把潜水艇缩小到针头大小时，螺旋桨即使转动与很难使潜水艇前进，这主要是由于尺度变化，使得潜水艇受到水的黏性阻力变得相当突出，二者的驱动

原理已经完全不同。正因如此，像细菌一样的微小生物体它们在液体中依靠的是螺旋状长长的鞭毛边旋转边前进。

2.2微系统技术中的力

对于我们所考虑的微机电系统，其尺寸量级在微米和纳米之间，在这种范围内起主要作用的是万有引力和电磁力。物体间作用的万有引力和电磁力的强度主要取决于3个因素，即作用力的密度、物体的尺度及物体间的作用距离。

万有引力和静电力表达方式很相似，从作用距离来看，二者都与距离平方成反比。从作用体的尺度来看，二者也都与物体尺度成正比。但从作用力的密度来看，二者有很大区别。首先引力常数和库仑力常数相差就很大，其次静电力和电荷成正比，万有引力和质量成正比，而单位尺度下的质量却比单位尺度下的电荷也要小很多，因此，静电力的密度要比万有引力的密度大很多个量级。除此之外，万有引力一定是吸引力，而静电力可以是吸引力也可以是排斥力，取决于电荷的同号或异号。微机电系统结构的尺寸很小，质量也很小。由于万有引力的密度极小，因此对于微机电系统来说万有引力是可以忽略的。与万有引力不同，电磁力的作用却是普遍的和多样的。电磁力中包括静电力、电场力、磁场力、洛仑兹力、多极电场力以及偶极电场力引发的范德瓦尔斯力等很多形式。

微机电系统的结构尺寸大多数都在微米量级，有的作用尺寸甚至达到纳米量级。因此，对于微机电系统来说，表面力和线力相对体积力来说起到的作用更明显，如静电力、摩擦力、阻尼力、卡西米尔力等都属于表面力，它们在微机电系统中的重要作用都在不同程度上显现，而安培力属于线力，受尺度的影响最不显著，它在宏观和微观机电系统中，静电力常常可作为一种驱动力来产生电容两极间的相对运动，但当两极板间距较小或电压较大时，两个极板间的静电力也会引

起板间的吸合。对于谐振系统，若要使两极板间产生周期振动，则周期性的驱动力是期望的主动动作，而极板间的吸合趋势就是不期望的被动作用。对于表电开关，极板间的吸合是期望的主动作用，未吸合的振动就变为不期望的被动作用。除此之外，微摩擦力和空气阻尼力等也在微机电系统中起着主动或被动的作用。空气阴尼会影响系统的品质因子，但空气阻尼也常常被用来调节品质因子。摩擦力会使微构件很快磨损而导致失效，但摩擦力有时也可用来作为约束或固定。

由于上述的在宏观尺度上被忽略的各种面力，在微观尺度下都显现出来。相对于宏观状态，微机电系统的力学环境发生了很大的变化。当系统特征尺度达到微米或纳米量级时，许多物理现象与宏观状态也有明显不同，当它受不同环境和不同加工过程的影响时，力学参数也会有明显变化。与尺度高次方成正比例的惯性力，电磁力等的作用相对减小，而与尺度低次方成比例的摩擦力、黏性力、弹性力、表面张力、静电力的作用相对增大；原来宏观条件下被忽略的毛细力、空气阻尼力、卡西米尔力和范德瓦尔斯力等，在微结构的相互作用中已不能再被忽略，因此微机系统是一个多场力作用的系统。另外，虽然微机电系统的基本结构都是固体形态的，但从微尺度角度考虑，温度引起的水滴液体形态和固有的空气气体形态等也都是同时存在的。因此，微机电系统又是一个多相共存的系统。总之，一般来说，从力学作用的角度看，微机电系统是一个多场共存并耦合和多相共存并耦合的系统。因此，微机电系统具有特殊的力学环境。

三、集成电路制造工艺也材料概述

3.1掺杂

定义：将特定杂质参入到半导体规定区域。

目的：改变材料电学性质。