81微米技术.PDF

8.1 微米技术 8.1.1 概述 微米技术是指在微米级(0.1～100 μm)的材料、设计、制造、测量、控制和应用技术。 目前，微米技术的研究与应用涉及以下几方面： 1．微小尺度的设计理论 研究微型系统的设计需要形成一整套新的设计理论与方法，例如微动力学、微流体力学、 微热力学、微机械学、微光学等，以便解决微型系统设计中的尺寸效应、表面效应、误差效 应及材料性能等的影响。 2．微细加工技术 微细加工技术包含超精机械加工、IC 工艺、化学腐蚀、能量束加工等诸多方法。在微 细加工甚至纳米加工领域，较为成熟的技术是 IC 工艺硅加工技术、离子束加工、分子束加 工、激光束加工以及电化学加工、精密电火花加工等。 3．精密测试技术 精密测试技术是具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术。目前精密测 试技术的一个重要研究对象是微结构的力学性能，如谐振频率、弹性模量、残余应力的测试 和微结构的表面形貌及内部结构，如微体缺陷、微裂缝、微沉积物的测试等。 4．微系统技术 国内外在微系统设计、加工、测量的研究基础上，开展了微型传感、微执行机构、微电 子信号处理等方面的研究工作，已制作出微型力传感器、微型泵、微型电动机等。 8.1.2 微型机械 1．概念 按照其特征尺寸可以微小的机械划分为 1～10mm 的小型机械，1 μm～lmm 的微型机械， 以及lnm～l μm 的纳米机械。 微型机械(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)是指可以批量制作的，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、通讯电路和电源等 于一体的微型电子机械系统。实际上也是指微小尺寸范围的装置和系统的设计、研究和制造， 以及它们与宏观世界的联接(界面)和集成。MEMS 产品具有尺寸小、精度高、响应速度快和 成本低的优势。 1959 年，Richard P．Feynman(1965 年诺贝尔物理奖获得者)就提出了微型机械的设想， 1962 年第一个硅微型压力传感器问世，后又成功地加工出了微型机械机构，如齿轮、齿轮 泵、气动涡轮及联接件，其尺寸为50～500 μm。1987 年，美国加州大学伯克利分校研制出 转子直径仅为60～120um 的硅微型静电电机，显示出利用硅加工工艺在硅基片上制作微小可 动结构，以及与集成电路兼容加工微小系统的潜力。 MEMS 已经成为一个具有交叉学科性质的前沿研究领域，涉及电子工程、材料工程、机 械工程、信息工程、物理学、化学、光学、医学以及生物技术等多种工程技术和科学，其研 究开发内容包括基础理论、设计、材料、制作工艺、微型传感和执行元件、测试技术、微操 作与控制技术、宏／微接口和通讯技术、能源供给、系统集成以及应用等许多方面。 MEMS 系统主要包括微型传感器、致动器和相应的处理单元三部分。作为输入信号的自 然界的各种信息，首先通过传感器转换成电信号，经过信号处理后(包括模拟/数字信号间的 变换)再通过微致动器对外部世界发生作用。传感器可以实现能量的转化，从而将加速度及 热等信号转换为系统可以处理的电信号。致动器则是根据信号处理，控制电路发出的指令自 动完成人们所需要的各种功能。信号处理部分可以根据控制电路进行信号转换、放大和计算 等处理。这一系统还能够以光、电、磁等形式与外界进行通信，并输出信号以供显示，或与 其他系统协同工作，构成一个更完整的系统。 2．微细加工及其关键技术 要想加工出精密的微机电器件，必须要具备相应微细加工技术。目前，常用的有以下方 法： (1)光刻术(Photolithography) 光刻术加工时，首先在基质材料上涂覆光致抗蚀剂(光 刻胶)，然后利用极限分辨率极高的能量束来通过掩膜对光致蚀层进行曝光(或称光刻)，显 影后在抗蚀剂层上获得了与掩膜图形相同的极微细的几何图形，再结合其他方法，便可在工 件材料上制造出微型结构。目前采用的曝光技术有：电子束曝光技术、离子束曝光技术、X 射线曝光技术和紫外准分子曝光技术。 (2)蚀刻技术 蚀刻通常分为等向蚀刻和异向蚀刻。等向蚀刻可以制造任意横向几何形 状的微型结构，高度一般为几微米，仅限于制造平面形结构；异向蚀刻则可以制造较大纵深 比的三维空间结构，其深度可达几百微米。 (3)LIGA 技术 LIGA 是由德文 Lithographie(光刻)、Galvanoformung( 电铸成形)和 Abformu