MEMS技术研究

MEMS技术的研究一、MEMS技术概述MEMS技术是采用微制造技术，在一个公共硅片基础上整合了传感器、机械元件、致动器（actuator）与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片（SoC），它让智能型产品得以开发，并得以进入很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。1.1、微机电系统（MEMS）概念虚微机电系统(Micro-ElectronicMechanicalSystem-MEMS)，是在微电子技术基础上结合精密机械技术发展起来的一个新的科学技术领域，微机电系统是一个独立的智能系统。一般来说，MEMS是指可以采用微电子批量加工工艺制造的，集微型机构、微型传感器、微型致动器（执行器）以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等部件於一体的微型系统。其基本组成见图1.1所示。图1.1MEMS的组成通常，MEMS主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。在微小尺寸范围内，机械依其特徵尺寸可以划分为1-10毫米的小型(Mini-)机械，1微米-1毫米的微型机械以及1纳米-1微米的机械。所谓微型机械从广义上包含了微小型和纳米机械，但并非单纯微小化，而是指可批量制作的集微型机构，微型感测器，微型执行器以及接口信号处理和控制电路、通讯和电源等于一体的微电子机械系统。1.2、微机电系统（MEMS）发展简史微机电的概念最早可追溯到1959年R.Feym.在加州理工大学的演讲。1982年,K.E.Peterson发表了一篇题为“SiliconasaMechanicalMaterial”的综述文章，对硅微机械加工技术的发展起到了奠基的作用。微机电研究的真正兴起则始于1987年，其标志是直径为10um的硅微马达（转子直径120微米，电容间隙2微米）在加州大学伯克利分校的研制成功，其引起了世界的轰动。自此以后,微电子机械系统技术开始引起世界各国科学家的极大兴趣。专家预言，它的意义可与当年晶体管的发明相比。为了进一步完善这一学科,使其更多更快地为人类服务，除探索新技术，新工艺以外，各国科学家们还在积极努力从事MEMS基础理论研究，包括对微流体力学，微机械磨擦和其他相关理论的研究，并建立一套方便，快捷的分析与设计系统。相信在不久的将来，MEMS将广泛渗透到医疗、生物技术、空间技术等领域。1.3、微机电系统（MEMS）的特点及前景微机电系统（MEMS）具有以下六种特点：1.微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。2.以硅为主要材料，机械电器性能优良。硅的强度、硬度及杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近相和钨。3.大量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS，批量生产可大大降低生产成本。4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器，微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。5.多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，是一种多学科交叉技术。6.应用上的高度广泛：MEMS的应用领域包括信息、生物、医疗、环保、电子、机械、航空、航天、军事等等。它不仅可形成新的产业，还能通过产品的性能提高、成本降低，有力地改造传统产业。二、MEMS具体实现技术2.1、微机电系统（MEMS）器件MEMS的主要产品:1.微机械元件通过微细加工技术加工出的三维微型构件有：微膜、微梁、微探针、微连杆、微齿轮、微轴承、微弹簧等，它们都是微系统的基础机械部件。微机械的设计和加工水准的不断提高，可以制造出越来越精细,越来越多的微构件。2.微传感器微传感器是微系统的重要组成部分，能测出压力、力、力矩、加速度、位移、流量、磁场、温度、浓度等物理量和化学量。微感测器正朝著集成化、智慧化的方向发展。3.微执行器最常用的是微电机，另外，还有微阀、微泵、微开关、微扬声器、微谐振器等。微执行器是复杂微系统的关键，难度较大。4.专用微机械器件及系统如医疗领域的人造器官，体内施药及取样微型泵，微型于术机器人等。航空航天领域中的微型惯性导航系统、微型卫星、微型飞机等，以及微型能源、微光学系统、微流量测量控制系统、微气相色谱仪、生物芯片、仿生MEMS器件等。2．2、微机电系统（MEMS）的具体应用领域MEMS可以广泛地应用于国防、工业、航空航天、生物、医学等行业，具体应用领域有：1.生物医学领域：在此领域内已开发出对细胞进行操作的许多微机械，如微物件的操作台、微夹钳等，还可利用植入式机器人对人体内脏和血管进行送药、诊断和手术等操作。2.流体控制领域：利用微型阀、微型泵进行流量元素分析、微流量测量和控制。3.资讯仪器领域：利用扫描隧道显微镜STM可将1Mbit的资讯储存在1平方微米的晶片上。另外，微磁头、微打印头可以完成信息的输入、输出及传输工作。4.航空航天领域：利用微型传感器和微型仪器，监测石油输送情况。微型卫星和小卫星在此领域也完成了许多情报搜集工作。5.微机器人：微机器人是微系统最典型的应用。在许多特殊场合，比如在人难以接近或不能接近的空间中，可以用微机器人来完成人的工作，如狭小空间中的机器人、电缆维修机器人等。三、MEMS技术在非制冷红外探测器中的应用近年来，MEMS技术得到了迅速发展，将其应用于非制冷红外探测器有了比较成功的例子，为现有单元器件小型化和高密度阵列集成开辟了一条新的途径。3.1、微机械红外热电堆探测器红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。随着MEMS技术的应用，出现了微机械红外热电堆探测器。K．D．Wise等人，最先利用MEMS技术于20世纪80年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。微机械红外热电堆芯片的基本结构如图1所示。器件制作一般采用体硅，从硅片背面利用硅的各向异性腐蚀而得到呈金字塔型的腐蚀孔，侧壁为慢腐蚀面。现在主要通过薄膜结构来实现热结区与冷结区的隔热结构。应用的薄膜结构有两类，即封闭膜结构(图1(a))和悬梁结构(图1(b))，其中封闭膜是指热堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅膜或氮化硅与氧化硅复合膜。悬梁则是指周围为气氛介质所包围，一端固支、一端悬空的膜结构。从隔热效果来说，悬梁比封闭膜更具优势，因为在封闭膜结构中热可以沿着介质支撑膜传播，而并不完全沿着热偶对传播，使热耗散较大，热电转换效率低，灵敏度小。但从工艺制造过程以及成品率角度来说，封闭膜更具优势，因为这种膜结构的优点在于结构稳定，由于膜与基体处处相连，因此受应力影响小，制造过程中膜本身不易破裂，成品率高，易制造而悬梁与基体间只通过固支一端相连，另一端悬空，因此受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，故成品率较低，不易制造。（a）封闭结构（b）悬梁结构图3.1微机械红外热电堆芯片的基本结构示意图1.硅衬底；2.冷结构；3.热结区；4.热电堆；5.红外吸收区；6.支撑膜现在许多研究团体正致力于微机械红外热电堆阵列的研究，而硅基热电堆是其中的研究热点，如多晶硅/金热偶线阵列、硅/铝热偶线阵列、n型多晶硅/p型多晶硅热偶面阵列。与一般的红外探测器相比，微机械红外热堆探测器的优点在于：①具有较高的灵敏度，宽松的工作环境与非常宽的频谱响应：②与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。显然地，MEMS已在我们今天常生活中的各种应用中扎下根基。其普及的主要动力来自于成本低与体积小，从而能够做出更小、更轻和更廉价的最终产品。但在MEMS前方并非一片光明。一项挑战是封装问题，因为MEMS器件的多样性以及每个要暴露的不同环境。封装加上测试，很容易就会将成本增加一倍。在不影响产品性能的情况下，研究出标准化和更廉价的封装已成为MEMS设计的主要关注目标。在今天的地球上，MEMS制造商投入了大量研发力量，试图加强自己在封装制程中的地位，为各种新设备开发新的专用封装。当前长足的进步与工程进展让我们对MEMS或SoC有更新的理解。对设计工程师而言，这确实是富于挑战且令人兴奋的时代！