微机电系统MEMS研究现状及展望概要

微机电系统(M EMS研究现状及展望

张贵钦

福州大学机械系,福建福州350002

摘要:主要综述了微机电系统(M EMS领域所涉及的微材料、微机械学、微细加工技术、微元器件、封装等基础理论和关键技术的研究现状,分析了存在问题,指出了今后的研究重点,并对其未来发展作了展望,提出了相应的发展策略。

关键词:微机电系统;微机械学;微细加工;封装

中图分类号:TP27114-103文献标识码:A文章编号:1001-2265(200207-0001-03

MEMS:state of the art and f uture trends

ZHAN G Guiqin

Abstract:Current research status of the basic theory and principal techniques of MEMS such as micro-materials,micro-me2 chanics,micro-machining,micro-apparatus and packaging is overviewed.The existing problems are analyzed and study em2 phases are pointed out.The future development of MEMS is prospected and relative developing strategies are put forward.

K ey w ords:MEMS;Micro-mechanics;Micro-machining;Packaging

1引言

微机电系统(Micro Electro-Mechanical Systems, M EMS是指可批量制作的,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,直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。M EMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的,具有体积微小、耗能低;能进入一般机械无

法进入的微小空间进行工作;能方便地进行精细操作等优点。自1986年美国斯坦福大学研制出第一个医用微探针,1988年美国加州大学Berkeley 分校研制出第一个直径为200μm的微电机以来,国内外学者在M EMS工艺,材料以及微观机理方面取得了很大进展,发展了各种M EMS器件和系统,并开始产业化,如各种微型传感器--微压力传感器,微加速度计,微触觉传感器,微泵,微机器人等。

M EMS的研究内容不仅包括机械科学、微电子学,还涉及现代光学、气动力学、流体力学、热力学、声学、磁学、自动控制、仿生学、材料科学及表面物理与化学等领域,它是一门多学科的综合科学。M EMS不仅仅是传统机械在尺度上的微小型化,它已远远超出了传统机械的概念和范畴,而是基于现代科学技术,并作为整个纳米科学技术的重要组成部分,用一种崭新的思维方法指导下的产物。同传统机械相比在材料、机构设计、摩擦特性、加工方法、测试与定位、驱动方式等方面都有很大的不同,产生很多由于结构微型化而导致的特殊问题。另外,M EMS同微电子相比,在运用自然规律的广度、处理对象及与环境的关系等方面也存在明显的区别。下面就对M EMS领域所涉及的基础理论和关键技术作以综述,研究所面临的问题,并提出相应的应对策略。

2微机电系统研究

微机电系统(M EMS学科交叉很强,研究难度较大,近年来其发展不如人们预期的那么快,其中主要的原因在于很多基础问题和技术问题没有得到很好的解决,下面对M EMS的研究现状和存在的问题予以分析,并指出今后的研究重点。

1.M EMS所用材料

M EMS所用材料可分为:结构材料、导电材料、压电材料、绝缘材料(二氧化硅和记忆材料(氮化钛。其中结构材料又包括单晶硅、多晶硅、碳化硅、氮化硅、硅锗合金、镍、金、铝;导电材料包括金、铝、铜;压电材料有铅锆钛合金和石英晶体等。针对具体的应用场合,寻找适于该场合使用并能用现有微细加工工艺加工的满足一定性能的优良材料是目前微机械材料研究的主要内容。

2.微机械学[4]

微机械学同传统机械学类似,它主要研究微机械中的运动变换和动力传递,以及运动过程中的动态特

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2002年第7期

性、微型构件在环境影响下的变形和失效规律并从原子、分子尺度出发,研究相互运动接触界面上的作用、变化与损伤及研究特定微机械系统如微机器人的微机器人机械学等。但微机械同传统机械相比,又有它自身的独特之处,主要体现在:

(1微机械由于几何尺寸的微小化,力的尺寸效应和表面效应在微观领域将变得非常突出,此时,体积力已不是主要的,相反表面张力、范德华力等将起主要作用。在进行微机械理论的研究时,一定要注意力的尺寸效应、微结构表面效应、热传导等的研究。

(2宏观上适用的一些定律原理是否在微机械领域仍然成立,这不能想当然而是有待于验证。如能量守恒定律、动量定理等仍然适用;而在微流体力学中,描述管道中液体运动特性的Navier-Stokes方程(NS 方程已不再适用。

(3微型机械一般都经过超精密制造,其摩擦副间隙常处于纳米量级甚至为零摩擦,对于这种摩擦界面上的摩擦磨损和润滑问题,应用宏观摩擦学的理论已不适合,而必须借助于以界面上原子、分子为对象的纳米摩擦学来研究,另外为保证微机械系统的性能和寿命,必须最大限度地降低磨损,如对于硬磁盘要求磨损率为0。

(4微结构由于其特殊的制造方法及尺寸效应的影响,其材料性能,特别是力学性能会发生很大变化,传统机械设计的力学计算方法象应力变形计算和动力学分析等已不能适用于微机械设计,而是要寻求新的方法。另外,表征微结构材料特性的一些物理量有待于重新制订,其测定方法也有待更进一步的研究。

3.微细加工技术[3][5][6][7]

微机电系统的设计加工与传统的设计加工不同,传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统,是自下而上的方法;微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘考虑下几乎同时制造出来,零件和系统是紧密结合在一起的,是一种自上而下的方法。微细加工技术是在硅微加工方法的基础上发展起来的,由于微电子工艺是平面工艺,在加工M EMS三维结构方面有一定的难度,为了实现高深宽比的三维微细加工,通过多学科的交叉渗透,已研究开发出了象L IG A、激光加工等方法,表1简单比较了现有的各种微细加工技术。

如何利用传统的精密加工来制造微机械零件,很多人也在作这方面的尝试,较成功的象日本小笠原制作所,用特殊的超小型滚刀,剃成了m=0.01,z=100的铜轴齿轮;如何寻找新的加工工艺也是微机械加工研究中的一个热点,象日本提出的IH工艺即集成聚合物固化立体光刻,它无须掩膜,加工周期短,可加工高纵横比三维立体聚合物和金属材料。另外还有利用快速成型(熔融沉积造型FDM、DEM(Deepetching, Electroforming,Microreplication技术等方法来进行微结构加工的研究。今后,在微细加工工艺的研究中应注意:

(1继续保持与硅集成电路的紧密联系,充分利用硅材料,广泛利用为集成电路开发的现有设备和技术,并且向着不断把信号检测电路和控制电路与微机械单片集成方向发展;

(2各种加工工艺在其发展过程中更加融合在一起,相互之间的界限更加模糊。实际上,由于微电子机械系统的多样性和广泛性,也只有多种技术的结合才更能满足微机械技术进一步发展的需要。象L IG A工艺就是多种微加工工艺成功融合的一个典范。

表1各种微细加工技术的比较

加工

技术

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