微電子機械系統技術與具體應用

郭俊莉

德州職業技術學院

近年來，微電子機械系統這種新興的技術迅速發展，已經逐漸影響到人們生活的各個領域。該技術以硅為加工材料，其制品具有集成化、微型化等特點。它的這些特點受到各個領域的青睞，目前許多工業領域期望通過微電子機械系統技術改進技術條件，解決工廠存在的問題。因此，本文將從微電子機械系統的概念，加工過程所采用的技術，及具體應用等方面對其進行探討。

概述

微電子機械系統簡寫為MEMS，近年來在高新科學技術領域發展十分迅速，微電子機械系統是集信號處理、微執行器、微能源、微型機械、智能控制于一體的裝置。其結構微小結構高度集成化，高度智能是微電子機械系統的主要特點。世界各國都投入了大量的資金和人員向這個領域，可見微電子機械系統的重要地位，這必然大大加速微電子機械系統技術的發展。目前，微電子機械系統技術在各個領域都有了一席之地，并以迅雷不及掩耳之勢震驚微電子學界，同樣它也可以像微電子學一樣定義一個技術時代。以前還是新生事物的微型機械，而今已經獲得了很大的經濟效益。下面對微電子機械系統技術的具體應用進行探究。

微電子機械系統的基本概念

微電子機械系統集成了微機械制動器和微電子電路，它可以通過電路信息的指令，去控制制動器的操作，傳感器還可以接受外部信息，將收到的信息進過電路系統處理放大，再傳到制動器變成機械操作。也就是說，微電子機械系統集成了機械操作、獲取和處理信息為一體。微電子機械系統的優勢遠遠高于傳統的機械電子，去不僅僅是傳統的機械電子直接微型化，而是從物質的結構、尺度、材料和工作原理方面遠優于傳統的機械電子概念和范疇。微電子機械系統是在微電子技術的基礎上發展出來的，是把微電子、微機械、傳感器結合到一起的技術。此技術已經逐漸發延伸到通訊、軍事、航空航天等各個領域，如若這個技術一旦步入成熟形成產業，必將對國家經濟發展，國防建設以及社會進步產生重大影響。

微電子機械系統技術的特點

微電子機械系統與傳統的機械加工技術相比具有明顯的優勢，主要體現在加工微型化、微型化的加工器件高度集成、以硅為基材料。

微型化

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

集成化

一般來說越小的東西越容易集成化，微電子機械系統技術微小的器件便有利于集成，可以構成不同功能的陣列，甚至是十分復雜的微系統。

硅基材料

硅是微電子機械系統的器件的主要加工材料，因為，貴的強度、硬度和鐵相當，密度有接近于呂，熱傳導率又接近鎢和鉬，而且價格上也比較便宜，這使得硅成為微電子機械系統器件的理想基材料，使大批量生產成為可能。

智能化

我們可以利用硅的光電效應制備光電傳感器，壓阻效應制備微力學傳感器，PN 結和“Hell”效應制備溫度和氣敏傳感器。為了提高微電子機械系統的信噪比，通常把以硅為基材料的傳感及信號處理器和轉換電路結合在一起。這樣還可以提高微電子機械系統的測量靈敏度和精確度，極大的提高響應速度，省去的復雜的接口技術。

低能耗、高靈敏度、高效率

微電子機械系統和傳統的機械電子系統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。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，不會出現信號延遲等問題。

微電子機械體統技術的基礎

微電子機械技術的基礎由微體機械加工技術、表面微機械加工技術、金屬微機械加工技術。下面我們進行一一介紹。

微體機械加工技術

（1）腐蝕技術：形成微體結構的重要手段是腐蝕技術，所以微機械加工技術的關鍵就是腐蝕技術。腐蝕技術主要分為三類：各向異性腐蝕技術，它是根據某種腐蝕液在硅的各個晶體上具有不同的腐蝕效果及腐蝕速度也不同來制作微型零件的；電化學腐蝕技術，它是利用了濕法腐蝕技術的電化學原理，此技術可以子宮終止腐蝕，精確控制腐蝕程度，現在主要應用于硅結構的制備；干法腐蝕技術，這個腐蝕技術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、反應離子腐蝕等方法。

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

金屬微機械加工技術

金屬微機械加工技術簡稱LIGA 技術，此技術利用X射線加工金屬材料，或者陶瓷和塑料等，對它們進行深層光刻電鑄。這項技術還可以用來加工三維結構。用金屬制作模型的微型，用來制作其他材料零部件。

表面微機械加工技術

（1）多層無應力薄膜沉積技術，如何選取適當的工藝條件是此技術的關鍵。這個技術可以制作多種母材，如硅、氮化硅、聚酰亞胺等。

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

微電子機械系統的具體應用

如今，微電子機械系統已經滲入各行各業，在通訊、電子、生物等很多領域占有重要地位。下面主要介紹幾種應用。

微傳感器

1962年第一臺硅微壓力傳感器問世。發展到今天微壓力傳感器已經有了多種多樣的形式，主要包括：面陣觸覺傳感器，微型加速度傳感器、諧振力敏傳感器等等。利用微電子機械系統技術和信號處理技術可以制成的陣列觸覺傳感器可以通過分布正在陣列中的力敏原件，獲取三維力信息，以實現對總力信息的檢測；在傳感器中加入激振元件盒測振元件制成諧振力敏傳感器，用來檢測機械結構中的固有頻率隨外力作用而產生的頻率變化，從而檢測外力的變化；微型加速度傳感器中的敏感結構由四角支撐的高度對稱結構組成。通過壓阻電橋和電阻熱激振同步來檢測信號輸出。并在四邊和支撐框架之間加了四根諧振梁。

微電機

硅加工工藝的成熟解決了靜電電機的加工時精度難控制的問題，使加工尺寸做到亞納米水平。這極大地縮小了在兩個正負電極定子和轉子之間的距離，從而大幅度降低工作時的電壓。光電測度系統是由測量電機的轉速器和取樣示波器組成，當轉子旋轉的時候，轉子下面的光電二極管，轉子上的發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發生變化。這個系統不僅使得測速范圍得到提高，而且解決了測速系統測速范圍低的問題。此外，此系統測量方便，小巧輕便。

機械諧振器和濾波器

微電子機械系統中機械諧振器和濾波器具有較高的穩定性和較低的能耗損失。具有很強的靈活性在材料的選擇和設計方面。由于其振動的頻率較低，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，使得工作頻率可以達到14.5MHz，大大提高了工作頻率。但工作頻率的上升會帶來其它麻煩。比如：能量的消耗增加。

微電子機械系統技術展望

微電子機械系統技術的發展勢不可擋，已經逐步滲入各個領域，也必將推動它們的高速發展。主要體現在對移動通信系統的推動。

（1）RF 開關：微機械元件可以制作RF 開關。現在有很多元件已經在開發，雖然，存在著一些亟待解決的問題，比如，導電材料很小，這樣極易磨損消失。相信經過科研人員的不懈努力，在不久的將來這個技術將會應用到我們的生活中去。

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

（3）高頻微機械諧振器：MEM 系統也可以利用微機械諧振器來建成。但這也只是設想，要實現這個想法必須將元件終端和IC 集成一體，這需要很長的時間。要是可以保證微電子機械諧振器受溫度影響足夠小，那么這個設想的基準振蕩器就可以實現。

結語

綜合以上的講述，微電子機械系統技術已經廣泛的應用于工業生產的各個領域，也必將長期的在各個領域占據重要地位，特別是在以后推動通信技術的發展上，將會起到十分重要的作用。

如今，微電子機械系統技術在我國乃至世界的研究已經進入高潮期。不僅僅是微電子機械的概念，其工藝工程、跨學科的應用都是全新的領域，此技術的發展會帶動工業技術的飛速發展，并從一定程度上帶動經濟的發展。為了促進和加速微電子機械系統技術的發展，必須逐步建立系統完備的自主知識體系，開發制造平臺，給微電子機械系統的發展提供發展環境和技術平臺。