微機械加工技術(shù)及其在傳感器中的應用

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微機械加工技術(shù)也被稱作是微機電系統(tǒng)，這是從上個世紀末興起，在本世紀初得到快速發(fā)展的新的高科技技術(shù)。由于這一技術(shù)的使用涉及到多個學科的交叉和融合，無論是物理學、光學、力學還是化學和生物學等基礎學科，包括機械工程、電子信息技術(shù)、材料科學和信息技術(shù)等，都為該技術(shù)提供了必要的支持，在汽車制造、生物化學工程、航天航空技術(shù)、精密儀器制造、移動通信以及國際科技等方面都表現(xiàn)出了極大的發(fā)展?jié)摿1]。作為在集成電路技術(shù)基礎上發(fā)展起來的新興技術(shù)，微機械加工技術(shù)因其涉及到十分廣泛的領(lǐng)域和在使用中體現(xiàn)出來的重要性，受到了社會的普遍關(guān)注和重視，包括我國在內(nèi)的很多國家都對該技術(shù)上投入了較多的資金和熱情。基于此，本文對微機械加工技術(shù)及其在傳感器中的應用問題進行了研究，希望通過本文的工作為這一技術(shù)的應用提供一定的可供借鑒的信息。

1 微機械加工的基礎技術(shù)

1.1 LIGA 技術(shù)

這一技術(shù)的過去的幾十年中得到了廣泛的應用，它能夠加工金屬材料，也能對陶瓷和塑料等非金屬材料進行加工。從這一角度講，LIGA 技術(shù)是一種高深寬比的三維加工技術(shù)，其加工的深度能夠達到數(shù)百微米，加工寬度也能夠縮至1 微米左右。LIGA 技術(shù)以強大的同步加速器為基礎，使其產(chǎn)生的軟X射線經(jīng)由掩模照射，把部件的圖形刻在光敏聚合物層之上，再通過電場把金屬遷移到形成的模型之中，這樣一來，便形成了一個金屬的結(jié)構(gòu)。

1.2 微放電加工技術(shù)

微放電加工技術(shù)的特點在于:它的加工阻力極小，不但能夠加工導電性材料，還能夠加工單晶硅之類的半導體材料，因此，該技術(shù)往往適用于微機械構(gòu)件的制造。此外，微放電加工技術(shù)能夠解決銀鎢絲或者硬質(zhì)合金絲電極在機床上成形的關(guān)鍵問題。微放電加工技術(shù)的出現(xiàn)，在經(jīng)過了多年的發(fā)展之后，放電微細加工的精度、粗糙度和微細程度都實現(xiàn)了較大的突破，這對本世紀微機械零件和結(jié)構(gòu)的制造與研發(fā)具有十分重要的現(xiàn)實意義[2]。

1.3 腐蝕技術(shù)

作為形成微結(jié)構(gòu)的重要手段，腐蝕技術(shù)主要涉及到以下幾個不同的方面:(1)電化學腐蝕技術(shù)。這一技術(shù)以電化學原理為基礎，是濕法腐蝕技術(shù)的一種，能夠精確控制腐蝕深度，其主要用途在于硅結(jié)構(gòu)的制作;(2)干法腐蝕技術(shù)。這一技術(shù)主要實涉及到等離子體腐蝕、反應離子腐蝕和離子束腐蝕等，在分辨率與精度具有明顯的優(yōu)勢;(3)各向異性腐蝕技術(shù)。該技術(shù)通過某些腐蝕液在硅各個晶向上產(chǎn)生的有差異的腐蝕速度，并以此為基礎，制作微結(jié)構(gòu)或者微型零件。

1.4 硅鍵合技術(shù)

鍵合值得是在微機械加工過程中形成的，使分開制作的部件不通過粘結(jié)劑連接在一起的一種新型技術(shù)，主要涉及到以下方面[3]:(1)靜電鍵合技術(shù)。這一技術(shù)一般用于硅和玻璃之間的鍵合。其原理是在460℃高溫下，硅與玻璃并能夠通過靜電引力鍵合在一起;(2)“硅-硅”直接鍵合技術(shù):在這一技術(shù)下，只有通過高溫便能夠通過原子間的力，將不同的平坦的硅片直接鍵合在一起，使其以一個整體的形式出現(xiàn)。

2 微機械加工技術(shù)在傳感器中的應用

2.1 石英加速度傳感器

這一傳感器由法國的LETI 制造，通過微機械加工制作的石英加速度傳感器具有典型的設計外觀和尺寸。其中，傳感器的厚度是125μm，梁寬為5-8μm，梁長為2 mm，質(zhì)量塊2 mm×2 mm，探測器的間隙是50μm，線圈材料選擇Au(通過電鍍完成)，厚度設計為3.5μm，而電極則利用機械掩膜蒸發(fā)完成。這一傳感器的輸出由方程V0/K1 =K0+K1ax+K2a2x+K3a3x+Kyay+Kzaz+ε 進行表示，其中K1 指的是比例因子，K0 是偏置;ax、ay、az 為加速度分量，ε 為誤差[4]。

2.2 熱紅外微傳感器

這一傳感器集中使用了為機械加工技術(shù)，其陣列通過在支持結(jié)構(gòu)上的3mm 長、10μm 厚、440μm 寬的懸臂構(gòu)成。在懸臂靠近自由端的部分沉積上，要設置具有吸收性能的膜層，在另一端，配置P-Si/Al 熱電偶，其工作原理便是對“塞貝克效應”的集中體現(xiàn)。當熱紅外微傳感器置于輻射之下時，懸臂自由端的吸收膜層能夠吸收熱量，而當熱量通過懸臂長度方向進行傳導時，能夠被熱電偶陣列檢測出來。

2.3 角度傳感器

這一傳感器的敏感部分是通過兩個扭轉(zhuǎn)桿支撐的懸浮可動多晶硅結(jié)構(gòu)形成的微機械擺[5]。角度傳感器的制造技術(shù)或者制造過程為:在具有SiO2絕緣層的硅片上通過LPCVD 法沉積一層多晶硅作下電極，之后再沉積一層SiO2作犧牲層，最后沉積一層相對較厚的多晶硅做為懸浮結(jié)構(gòu)，并通過HF 蒸汽把犧牲層腐蝕掉，從而得到預期的結(jié)構(gòu)。而當有水平或者非軸向的外加恒定磁場存在時，在洛侖茲力的作用下，懸浮的多晶硅結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)動出一個特殊的角度，這樣便能夠蔣策出電壓的向外輸出形式。

3 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，微機械加工技術(shù)在傳感器、微執(zhí)行器與微電子機械系統(tǒng)制作、微機械部件與結(jié)構(gòu)的加工和制造。作為在硅平面技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，微機械加工技術(shù)與傳感技術(shù)的結(jié)合得到了經(jīng)濟社會的廣泛應用。本文以此為視角，對微機械加工技術(shù)在傳感器中的應用進行了研究，得出了一些結(jié)論，希望這些結(jié)論能夠在一定程度上指導實踐。

[1]虞承端.微機械加工技術(shù)與微傳感器[J].電子元器件應用，2010(5):29-32.

[2]王振龍，趙萬生.微制造系統(tǒng)中的微細電火花加工技術(shù)[J].制造技術(shù)與機床，2003(9):23-27.

[3]彭思平，徐家文，李穎，楊倩.微細電解加工機理探討[J].電加工與模具，2005(2):26-29.

[4]胡明，馬家志，鄒俊，張之圣.微機械加工技術(shù)在微傳感器中的應用[J].壓電與聲光，2002(4):268-270.

[5]張巧云，呂志清.微機械加工技術(shù)在傳感器制作中的應用[J].壓電與聲光，2008(3):140-144.