微机械加工

微机械加工 Prepared on 22 November 2020

微机械加工应用趋势与前沿技术简述

摘要：微机电系统（MEMS）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。尤其将计算、传感和执行融为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。本文介绍了微机电系统近几年应用领域及前景展望，并简单阐述了关于微制造的几种前言加工技术，从而对MEMS系统有一个粗略的了解。

关键字：MEMS 应用领域前景前沿技术 LIGA技术

前言

微型机械加工或称微机电系统（MEMS），早在1959年就由着名的物理学家理查德·范蔓（Richard·Feynman）提出其概念，然而此后数十年间的发展并未受到过多的关注，直到近年来才逐渐发展成为一门交叉学科。

MEMS主要包括微型传感器、微型执行器以及相应地处理电路三部分。作为输入信号的各种信号首先通过微传感器转换成电信号，经过信号处理以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转换成另一种形式，从而将现实世界的信号（热、化学、运动等）转换成系统可以处理的信号（如电信号）。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。执行器根据信号处理电路发出的指令来完成人们所需要的操作。

MEMS的快速发展只不过是10多年的时间，却已在各个应用领域显示出强大的生命力，甚至单个领域的MEMS器件就已经形成了一个较大规模的产业。面向21世纪，MEMS将逐步走向实用化，并被广泛应用于国防、航空、航天、通信、环保、生物工程、医疗、制造业、农业和家庭。在某种意义上，可认为MEMS是“信息化带动工业化”的一个典范。

一、应用领域与前景展望

作为信息获取关键的传感MEMS，已成功应用于汽车、电子等行业和军事

领域；在令人瞩目的信息技术和生命技术的发展中，MEMS更将发挥不可估量的作用：光MEMS被认为是开启通信之门的钥匙；RF MEMS将成为移动通信的一项核心技术；高密度MEMS生物芯片将强有力地推动生命科学和生物技术的发展。近几年，采用MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响，将关系到国民经济发展和国家发展安全保障的战略高技术，已引起了广泛的关注。

微机电系统在国防中的应用

美国和西方国家为了掌握现代战争的主动权，大力发展微型飞行器、战场侦察传感器、智能军用机器人，以增加武器效能，军用武器装备的小型化是重要的发展趋势。MEMS是未来武器中最精华的部分，为了适应这一发展的需要，主要采用的是MEMS技术制造的传感器和微系统。大量采用MEMS器件，以改进武器性能，已成为美国发展新型高科技武器装备的方向。根据美国防卫高级研究计划署（Defense Advanced Research Projects Agency）公布的资料，MEMS在武器装备中的主要应用领域包括以下几个方面：武器制导和个人导航的惯性导航组合；超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理；军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值守分布式传感器；小型分布式仪器、推进和燃烧控制的集成流量系统；武器安全、保险和引信；有条件保养的嵌入式传感器和执行器；高密度、低功耗的大规模数据存储器件；敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学器件，以及飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动和共型表面。

航天领域对器件的功能密度要求很高。因此，MEMS的发展，从一开始就受到航天部门的重视并得到应用。目前，微型飞行器的研究主要集中在美、

日、德等发达国家。美国LMB公司研制出翼展为45cm的微型飞行器Bat，该机飞行时间20min，飞行速度大约为64km/h，飞行高度457m，1995年，日本东北大学利用MEMS技术，制造出一个靠磁力矩驱动的飞行装置，该装置宽30mm，长20mm，重，等等。美国五角大楼认为，军用微型机器人的发展将有可能改变22世纪的战场。

微机电系统在汽车中的应用

汽车工业在过去的20多年里已经是MEMS技术的主要用户，市场规模庞大。在汽车里采用MEMS产品主要是为了使汽车更安全，驾驶更加舒适，达到政府要求的高燃烧效率和低排放的标准。早在1988年出现的Smart Car的概念在今天已经成为现实，智能汽车就是以传感器和执行器的广泛应用为基础的。目前，根据NEXUS的市场研究，典型中级车包括50多个传感器，而豪华车装备100个以上的传感器，其中大约1/3的传感器采用的是MEMS传感器，应用最多的是硅压力传感器和加速度传感器。

MEMS传感器在汽车中的应用可分为四大类：安全；发动机和动力系；舒适和便利；汽车诊断和健康监测。

微机电系统在生物医学中的应用

分子、病毒和细胞的典型尺寸分别为1nm、10nm、10um，由尺寸效应可知，MEMS/NEMS可以更灵敏、准确、低成本和微创无影响的应用于生物医疗领域。当前，MEMS及其相关技术和产品已覆盖从检测、诊断到治疗等各种生物医疗领域，主要集中在以下几个领域：人造器官、体内显微手术、临床化验分析、基因分析、遗传诊断和试验仪器，等等。

在匹兹堡大学的Mc Govan再生医学院，正在开发一个生物合成肺来模拟

人体正常肺的呼吸功能。该MEMS装置交织着含有空气或血液的微通道。这些微通道由细胞隔膜分开，细胞隔膜模拟正常肺的肺泡壁功能。密苏里大学哥伦比亚分校的研究人员最近示范了一项研究进展——打印器官以器官受赠者的细胞为蓝本以确保与器官捐赠者的生物一致性，通过将打印层和构造层交替层叠的方式构造出打印器官。

二、MEMS技术

经过多年的发展，目前已经取得了很大的进步。目前，国内外制造微机电系统的微细加工技术主要有以下三类。

第一类：以日本为代表的利用传统精密机械技工技术的超精密和特种加工技术。

第二类：以美国为代表的利用化学腐蚀和集成电路工艺技术的硅基微加工技术。

第三类：以德国为代表的LIGA及其相关技术。

微制造技术是MEMS进一步发展的基础，由于MEMS应用对结构、器件和系统在材料、设计、加工、机电系统集成、封装、测试和可靠性等方面的苛刻要求，目前微制造技术仍然还有很多问题有待进一步解决。

特种微细加工技术

微细特种加工技术的实用化研究得益于20世纪80年代中期日本东京大学增泽隆久所在的研究室所发明的线电极电火花磨削技术，并在20世纪90年代得到了重大发展，随后出现了微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工，以及微细激光加工等技术。

硅微机械加工技术

微机电系统制造技术是在集成电路工艺和理论的基础上发展起来的。微机