郭俊莉

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

近年來(lái)，微電子機(jī)械系統(tǒng)這種新興的技術(shù)迅速發(fā)展，已經(jīng)逐漸影響到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。該技術(shù)以硅為加工材料，其制品具有集成化、微型化等特點(diǎn)。它的這些特點(diǎn)受到各個(gè)領(lǐng)域的青睞，目前許多工業(yè)領(lǐng)域期望通過(guò)微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)改進(jìn)技術(shù)條件，解決工廠存在的問(wèn)題。因此，本文將從微電子機(jī)械系統(tǒng)的概念，加工過(guò)程所采用的技術(shù)，及具體應(yīng)用等方面對(duì)其進(jìn)行探討。

概述

微電子機(jī)械系統(tǒng)簡(jiǎn)寫為MEMS，近年來(lái)在高新科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，微電子機(jī)械系統(tǒng)是集信號(hào)處理、微執(zhí)行器、微能源、微型機(jī)械、智能控制于一體的裝置。其結(jié)構(gòu)微小結(jié)構(gòu)高度集成化，高度智能是微電子機(jī)械系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。世界各國(guó)都投入了大量的資金和人員向這個(gè)領(lǐng)域，可見(jiàn)微電子機(jī)械系統(tǒng)的重要地位，這必然大大加速微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。目前，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都有了一席之地，并以迅雷不及掩耳之勢(shì)震驚微電子學(xué)界，同樣它也可以像微電子學(xué)一樣定義一個(gè)技術(shù)時(shí)代。以前還是新生事物的微型機(jī)械，而今已經(jīng)獲得了很大的經(jīng)濟(jì)效益。下面對(duì)微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行探究。

微電子機(jī)械系統(tǒng)的基本概念

微電子機(jī)械系統(tǒng)集成了微機(jī)械制動(dòng)器和微電子電路，它可以通過(guò)電路信息的指令，去控制制動(dòng)器的操作，傳感器還可以接受外部信息，將收到的信息進(jìn)過(guò)電路系統(tǒng)處理放大，再傳到制動(dòng)器變成機(jī)械操作。也就是說(shuō)，微電子機(jī)械系統(tǒng)集成了機(jī)械操作、獲取和處理信息為一體。微電子機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械電子，去不僅僅是傳統(tǒng)的機(jī)械電子直接微型化，而是從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、尺度、材料和工作原理方面遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械電子概念和范疇。微電子機(jī)械系統(tǒng)是在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，是把微電子、微機(jī)械、傳感器結(jié)合到一起的技術(shù)。此技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)延伸到通訊、軍事、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，如若這個(gè)技術(shù)一旦步入成熟形成產(chǎn)業(yè)，必將對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國(guó)防建設(shè)以及社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響。

微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)

微電子機(jī)械系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械加工技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在加工微型化、微型化的加工器件高度集成、以硅為基材料。

微型化

一般的機(jī)械加工技術(shù)都是在厘米水平上進(jìn)行的，而微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的加工是在納米水平上，這就必然使得用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)制造的東西從體積、重量、功耗等方面大大降低，成品也便于攜帶。

集成化

一般來(lái)說(shuō)越小的東西越容易集成化，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)微小的器件便有利于集成，可以構(gòu)成不同功能的陣列，甚至是十分復(fù)雜的微系統(tǒng)。

硅基材料

硅是微電子機(jī)械系統(tǒng)的器件的主要加工材料，因?yàn)椋F的強(qiáng)度、硬度和鐵相當(dāng)，密度有接近于呂，熱傳導(dǎo)率又接近鎢和鉬，而且價(jià)格上也比較便宜，這使得硅成為微電子機(jī)械系統(tǒng)器件的理想基材料，使大批量生產(chǎn)成為可能。

智能化

我們可以利用硅的光電效應(yīng)制備光電傳感器，壓阻效應(yīng)制備微力學(xué)傳感器，PN 結(jié)和“Hell”效應(yīng)制備溫度和氣敏傳感器。為了提高微電子機(jī)械系統(tǒng)的信噪比，通常把以硅為基材料的傳感及信號(hào)處理器和轉(zhuǎn)換電路結(jié)合在一起。這樣還可以提高微電子機(jī)械系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度和精確度，極大的提高響應(yīng)速度，省去的復(fù)雜的接口技術(shù)。

低能耗、高靈敏度、高效率

微電子機(jī)械系統(tǒng)和傳統(tǒng)的機(jī)械電子系統(tǒng)相比所消耗的能量大大降低，但卻可以比其快十倍以上的速度去完成相同的任務(wù)。比如微型泵（5×5×0.7 mm）的流速比小型泵快一千多倍，而且工作時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)延遲等問(wèn)題。

微電子機(jī)械體統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)

微電子機(jī)械技術(shù)的基礎(chǔ)由微體機(jī)械加工技術(shù)、表面微機(jī)械加工技術(shù)、金屬微機(jī)械加工技術(shù)。下面我們進(jìn)行一一介紹。

微體機(jī)械加工技術(shù)

（1）腐蝕技術(shù)：形成微體結(jié)構(gòu)的重要手段是腐蝕技術(shù)，所以微機(jī)械加工技術(shù)的關(guān)鍵就是腐蝕技術(shù)。腐蝕技術(shù)主要分為三類：各向異性腐蝕技術(shù)，它是根據(jù)某種腐蝕液在硅的各個(gè)晶體上具有不同的腐蝕效果及腐蝕速度也不同來(lái)制作微型零件的；電化學(xué)腐蝕技術(shù)，它是利用了濕法腐蝕技術(shù)的電化學(xué)原理，此技術(shù)可以子宮終止腐蝕，精確控制腐蝕程度，現(xiàn)在主要應(yīng)用于硅結(jié)構(gòu)的制備；干法腐蝕技術(shù)，這個(gè)腐蝕技術(shù)的分辨率和精確度很高，主要包含了等離子提腐蝕、離子束腐蝕、反應(yīng)離子腐蝕等方法。

（2）硅鍵合技術(shù)：為了將加工過(guò)程中分開(kāi)值周的部件結(jié)合在一起我們通常采用鍵合技術(shù)，此技術(shù)主要分為兩類：一種是在高溫下使硅-硅直接鍵合的技術(shù)，另一種是在靜電引力作用下使硅和玻璃結(jié)合，叫做靜電鍵合。

金屬微機(jī)械加工技術(shù)

金屬微機(jī)械加工技術(shù)簡(jiǎn)稱LIGA 技術(shù)，此技術(shù)利用X射線加工金屬材料，或者陶瓷和塑料等，對(duì)它們進(jìn)行深層光刻電鑄。這項(xiàng)技術(shù)還可以用來(lái)加工三維結(jié)構(gòu)。用金屬制作模型的微型，用來(lái)制作其他材料零部件。

表面微機(jī)械加工技術(shù)

（1）多層無(wú)應(yīng)力薄膜沉積技術(shù)，如何選取適當(dāng)?shù)墓に嚄l件是此技術(shù)的關(guān)鍵。這個(gè)技術(shù)可以制作多種母材，如硅、氮化硅、聚酰亞胺等。

（2）犧牲層技術(shù)，此技術(shù)將兩層薄膜的上層保留下層腐蝕掉，從而得到一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)。這是一個(gè)非常重要的技術(shù)。

微電子機(jī)械系統(tǒng)的具體應(yīng)用

如今，微電子機(jī)械系統(tǒng)已經(jīng)滲入各行各業(yè)，在通訊、電子、生物等很多領(lǐng)域占有重要地位。下面主要介紹幾種應(yīng)用。

微傳感器

1962年第一臺(tái)硅微壓力傳感器問(wèn)世。發(fā)展到今天微壓力傳感器已經(jīng)有了多種多樣的形式，主要包括：面陣觸覺(jué)傳感器，微型加速度傳感器、諧振力敏傳感器等等。利用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)可以制成的陣列觸覺(jué)傳感器可以通過(guò)分布正在陣列中的力敏原件，獲取三維力信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)總力信息的檢測(cè)；在傳感器中加入激振元件盒測(cè)振元件制成諧振力敏傳感器，用來(lái)檢測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的固有頻率隨外力作用而產(chǎn)生的頻率變化，從而檢測(cè)外力的變化；微型加速度傳感器中的敏感結(jié)構(gòu)由四角支撐的高度對(duì)稱結(jié)構(gòu)組成。通過(guò)壓阻電橋和電阻熱激振同步來(lái)檢測(cè)信號(hào)輸出。并在四邊和支撐框架之間加了四根諧振梁。

微電機(jī)

硅加工工藝的成熟解決了靜電電機(jī)的加工時(shí)精度難控制的問(wèn)題，使加工尺寸做到亞納米水平。這極大地縮小了在兩個(gè)正負(fù)電極定子和轉(zhuǎn)子之間的距離，從而大幅度降低工作時(shí)的電壓。光電測(cè)度系統(tǒng)是由測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速器和取樣示波器組成，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子下面的光電二極管，轉(zhuǎn)子上的發(fā)射的激光照射到光電二極管上。二極管上的亮電流和暗電流會(huì)發(fā)生變化。這個(gè)系統(tǒng)不僅使得測(cè)速范圍得到提高，而且解決了測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速范圍低的問(wèn)題。此外，此系統(tǒng)測(cè)量方便，小巧輕便。

機(jī)械諧振器和濾波器

微電子機(jī)械系統(tǒng)中機(jī)械諧振器和濾波器具有較高的穩(wěn)定性和較低的能耗損失。具有很強(qiáng)的靈活性在材料的選擇和設(shè)計(jì)方面。由于其振動(dòng)的頻率較低，所以，空氣阻尼還是有很大的影響的。研究人員研制出了和IC 工藝兼容的技術(shù)，使得工作頻率可以達(dá)到14.5MHz，大大提高了工作頻率。但工作頻率的上升會(huì)帶來(lái)其它麻煩。比如：能量的消耗增加。

微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)展望

微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展勢(shì)不可擋，已經(jīng)逐步滲入各個(gè)領(lǐng)域，也必將推動(dòng)它們的高速發(fā)展。主要體現(xiàn)在對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的推動(dòng)。

（1）RF 開(kāi)關(guān)：微機(jī)械元件可以制作RF 開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)在有很多元件已經(jīng)在開(kāi)發(fā)，雖然，存在著一些亟待解決的問(wèn)題，比如，導(dǎo)電材料很小，這樣極易磨損消失。相信經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，在不久的將來(lái)這個(gè)技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到我們的生活中去。

（2）可調(diào)電容：可調(diào)電容的頻率一般低于在50kHz，為了消除機(jī)械動(dòng)力和RF 信號(hào)的交互影響，我們可以充分發(fā)揮器件的機(jī)械慣性。從而得到優(yōu)良性能的電容。但如何使得電容值和RF 信號(hào)的均方根電平無(wú)影響以及如何消除串聯(lián)電阻依然有待研究。

（3）高頻微機(jī)械諧振器：MEM 系統(tǒng)也可以利用微機(jī)械諧振器來(lái)建成。但這也只是設(shè)想，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法必須將元件終端和IC 集成一體，這需要很長(zhǎng)的時(shí)間。要是可以保證微電子機(jī)械諧振器受溫度影響足夠小，那么這個(gè)設(shè)想的基準(zhǔn)振蕩器就可以實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

綜合以上的講述，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，也必將長(zhǎng)期的在各個(gè)領(lǐng)域占據(jù)重要地位，特別是在以后推動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展上，將會(huì)起到十分重要的作用。

如今，微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)在我國(guó)乃至世界的研究已經(jīng)進(jìn)入高潮期。不僅僅是微電子機(jī)械的概念，其工藝工程、跨學(xué)科的應(yīng)用都是全新的領(lǐng)域，此技術(shù)的發(fā)展會(huì)帶動(dòng)工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，并從一定程度上帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。為了促進(jìn)和加速微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，必須逐步建立系統(tǒng)完備的自主知識(shí)體系，開(kāi)發(fā)制造平臺(tái)，給微電子機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展提供發(fā)展環(huán)境和技術(shù)平臺(tái)。