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1、微机电系统 MEMS简介 1 早在二十世纪六十年代 在硅集成电路制造技术发明不久 研究人员就想利用这些制造技术和利用硅很好的机械特性 制造微型机械部件 如微传感器 微执行器等 如果把微电子器件同微机械部件做在同一块硅片上 就是微机电系统 MEMS MicroelectromechanicalSystem 由于MEMS是微电子同微机械的结合 如果把微电子电路比作人的大脑 微机械比作人的五官 传感器 和手脚 执行器 两者的紧密结合 就是一个功能齐全而强大的微系统 MEMS定义 1959年就有科学家提出微型机械的设想 但直到1962年才出现属于微机械范畴的产品 硅微型压力传感器 其后尺寸为50 50
2、0微米的齿轮 齿轮泵 气动蜗轮及联接件等微型机构相继问世 而1987年由华裔留美学生冯龙生等人研制出转子直径为60微米和100微米的硅微型静电电机 显示出利用硅微加工工艺制作微小可动结构并与集成电路兼容制造微小系统的潜力 在国际上引起轰动 科幻小说中描述把自己变成小昆虫钻到别人的居室或心脏中去的场景将要成为现实展现在人们面前 同时 也标志着微电子机械系统 MEMS 的诞生 微电子机械系统是以微电子 微机械及材料科学为基础 研究 设计和制造具有特定功能的微型装置 包括微结构器件 微传感器 微执行器和微系统等方面 的一门科学 世界上第一个微静电马达 MEMS的发展过程 20世纪60年代 采用将传感
3、器和电子线路集成在一个芯片上的设计思想来制作集成传感器 20世纪60年代后期 硅刻蚀技术用于制作能将压力转换为电信号的应变薄膜结构 20世纪70年代 人们使用硅各向异性选择性腐蚀制作薄膜 掺杂以及基于电化学的腐蚀停刻技术也出现了 随之而来的是 体硅加工 技术 20世纪80年代 表面微加工 技术在加速度计 压力传感器和其他微电子机械结构制作中得到了应用 20世纪80年代后期 MEMS在世界范围内受到了广泛重视 在美国 欧洲和亚洲 投入的研究资金和研究人员都以令人惊讶的速度在大幅增长 MEMS正在处于蓬勃发展的关键时期 不断地有新型器件和新型技术给予报道 人们见证了基于MEMS技术的喷墨打印头 压
4、力传感器 流量计 加速度计 陀螺仪 非冷却红外成像仪和光学投影仪等设备的不断开发和产业化的进程 如同IC 1939年P N结半导体 W Schottky 1948年晶体管 J Bardeen W H Brattain W Shockley 1954年半导体压阻效应 C S Smith 1958年集成电路 IC J S Kilby 1959年 Thereisplentyofroomatthebottom R Feynman 1962年硅集成压力驱动器 O N Tufte P W Chapman D Long 1965年表面微机械加速度计 H C Nathanson R A Wichstrom 1
5、967年硅各向异性深度刻蚀 H A Waggener 1973年微型离子敏场效应管 TohokuUniversity 1977年电容式硅压力传感器 Stanford MEMS的发展过程的重要历史事件 1979年集成化气体色谱仪 C S Terry J H Jerman J B Angell 1981年水晶微机械 YokogawaElectric 1982年 Siliconasamechanicalmaterial K Petersen 1983年集成化压力传感器 Honeywell 1985年LIGA工艺 W Ehrfeldetal 1986年硅键合技术 M Shimbo 1987年微型齿轮
6、UCBerkeley 1988年压力传感器的批量生产 NovaSensor 1988年微静电电机 UCBerkeley 1992年体硅加工工艺 SCREAMprocess Cornell 1993年数字微镜显示器件 TexasInstruments 1994年商业化表面微机械加速度计 AnalogDevices 1999年光网络开关阵列 Lucent 由于MEMS器件和系统具有体积小 重量轻 功耗小 成本低 可靠性高 性能优异 功能强大 可以批量生产等传统传感器无法比拟的优点 因此在航空 航天 汽车 生物医学 环境监测 军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 MEMS的应用
7、领域 MEMS的应用领域 MEMS传感器及其组成的微型惯性测量组合在汽车自动驾驶 汽车防撞气囊 汽车防抱死系统 ABS 减震系统 防盗系统等 GPS定位系统 在汽车里作为加速表来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用 在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜 控制动态稳定控制系统 在轮胎里作为压力传感器 在汽车上的应用 MEMS已在空间超微型卫星上得到应用 该卫星外形尺寸为2 54cm 7 62cm 10 6cm 重量仅为250g 2000年1月 发射的两颗试验小卫星是证明空基防御能力增强的一个范例 对小卫星试验来说幸运的是 因其飞行寿命短 所以 暴露在宇宙辐射之下并不是关键问题 小卫星上基于硅的RF开关在太
8、空应用中表现出优异的性能 这得益于它的超微小尺寸 作为一个在海上应用的实例 MEMS引信 保险和引爆半导体 微电子 集成电路 IC 工艺 设计 器件 封装 测试 F SA装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上 引信 保险和引爆装置的工作包括3个独立步骤 发射鱼雷后 解除炸药保险 引爆引信和防止在不正确时间爆炸保险 使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术 MEMSF SA器件要比传统的装置小1个数量级 可安装在15 88cm的鱼雷上 这是其他方法做不到的 在军事上的应用 国外MEMS技术在引信中的应用 MEMS技术在精确打击弹药引信中的应用 美国FMU2159 B硬目标侵彻灵巧引信及加速度计 采用ME
9、MS技术的弹道修正引信 装有弹道修正引信的MK64制导炮弹 单兵20mm高爆榴弹微机电引信 在1995年的国际会议上已有人正式提出研制全硅卫星的概念 即整个卫星由硅太阳能电池板 硅导航模块 硅通信模块等组合而成 这样 可使整个卫星的质量缩小到以kg计算 从而使卫星的成本大幅度降低 美国提出的硅固态卫星的概念图 这个卫星除了蓄电池外 全由硅片构成 直径仅15cm 航空航天的应用 微机械技术在生物医疗中的应用尤其令人惊叹 例如 将微型传感器用口服或皮下注射法送入人体 就可对体内的五脏六腑进行直接有效的监测 将特制的微型机器人送入人体 可刮去导致心脏病的油脂沉积物 除去体内的胆固醇 可探测和清除人体
10、内的癌细胞 进行视网膜开刀时 大夫可将遥控机器人放入眼球内 在细胞操作 细胞融合 精细外科 血管 肠道内自动送药等方面应用甚广 MEMS的微小可进入很小的器官和组织和能自动地进行细微精确的操作的特点 可大大提高介入治疗的精度 直接进入相应病变地进行工作 降低手术风险 同微电子 集成电路 IC 工艺 设计 器件 封装 测试 MEMS时 可进行基因分析和遗传诊断 利用微加工技术制造各种微泵 微阀 微摄子 微沟槽 微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子 所以 微机械在现代医疗技术中的应用潜力巨大 为人类最后征服各种绝症延长寿命带来了希望 生物医疗和医学上的应用 OMOM智能胶囊消化道内
11、窥镜系统 金山科技集团研制的胶囊内镜 胶囊内镜 是集图像处理 信息通讯 光电工程 生物医学等多学科技术为一体的典型的微机电系统 MEMS 高科技产品 由智能胶囊 图像记录仪 手持无线监视仪 影像分析处理软件等组成 工作时间 8小时左右视角度 140度视距 3cm分辨力 0 1mm体积 13mm 27 9mm重量 6g外壳 无毒耐酸耐碱高分子材料 图象记录仪 OMOM胶囊内镜的工作原理是 患者像服药一样用水将智能胶囊吞下后 它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃 十二指肠 空肠与回肠 结肠 直肠的方向运行 同时对经过的腔段连续摄像 并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录 工作时间达
12、6 8小时 在智能胶囊吞服8 72小时后就会随粪便排出体外 医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况 从而对病情做出诊断 影像工作站 优点 操作简单 整个检查仅为吞服胶囊 记录与回放观察三个过程 医生只需在回放观察过程中 通过拍摄到的图片即可对病情做出准确判断 安全卫生 胶囊为一次性使用 避免交叉感染 外壳采用不能被消化液腐蚀的医用高分子材料 对人体无毒 无刺激性 能够安全排出体外 扩展视野 全小肠段真彩色图像清晰微观 突破了小肠检查的盲区 大大提高了消化道疾病诊断检出率 方便自如 患者无须麻醉 无须住院 行动自由 不耽误正常的工作和生活 这个一次性胰岛素注射
13、泵融合了Debiotech的胰岛素输注系统技术和ST的微射流MEMS芯片的量产能力 纳米泵的尺寸只有现有胰岛素泵的四分之一 微射流技术还能更好地控制胰岛素液的注射量 更精确地模仿胰岛自然分泌胰岛素的过程 同时还能检测泵可能发生的故障 更好地保护患者的安全 成本非常低廉 胰岛素注射泵疗法或者连续皮下注射胰岛素 CSII 可以替代一天必须输注几次的单次胰岛素注射法 这种疗法越来越被人们看好 按照CSII治疗方法 糖尿病患者连接一个可编程的注射泵 注射泵与一个贮液器相连 胰岛素就从这个贮液器输注到人体皮下组织内 在一天的输液过程中 可根据病人的情况设定液量 微射流MEMS技术应用于糖尿病治疗 仿学中
14、的应用 仿生纤毛 地下水流微传感器 MEMS器件根据其特性分成微传感器 微执行器 微结构器件 微机械光学器件等 微传感器 机械类 化学类 磁学类 生物类 力学 力矩 位置 速度 加速度 流量 角速度 陀螺 气体成分 湿度 PH值 离子浓度 微执行器 马达 齿轮 扬声器 开关 微结构器件 薄膜 探针 弹簧 微梁 微腔 沟道 微轴 锥体 微光学器件 微镜阵列 微光扫描器 微斩光器 光编码器 微光阀 微干涉仪 微光开关 微透镜 大机械制造小机械 小机械制造微机械日本为代表LIGA工艺Lithograpie 光刻 Galvanoformung 电铸 Abformung 塑铸 德国为代表硅微机械加工工艺
15、 体硅工艺和表面牺牲层工艺美国为代表 MEMS制造工艺 Materials 硅基材料单晶硅 多晶硅 非晶硅 二氧化硅 氮化硅 碳化硅 SOI SiliconOnInsulator 聚合物材料光刻胶 聚二甲硅氧烷其他材料砷化镓 石英 玻璃 钻石 金属 Technologies 物理气相淀积 PhysicalVapourDeposition 化学气相淀积 ChemicalVapourDeposition 电镀 Electroplating 旋转铸模 SpinCasting 溶胶 凝胶 Sol GelDeposition 光刻 Photolithography 刻蚀 干法刻蚀 DRIE ICP 和湿
16、法腐蚀键合技术 物理气相淀积 PVD 物理气相淀积是利用某种物理过程 例如蒸发或溅射过程来实现物质转移 即把原子或分子由源转移到衬底表面上 从而淀积形成薄膜 整个过程不涉及化学反应 常用的有真空蒸发和溅射 真空蒸发是在真空室中 吧所要蒸发的金属加热到相当高的温度 使其原子或分子获得足够高的能量 脱离金属材料表面的束缚而蒸发到真空中 从而淀积在硅晶原片表面形成一薄的膜 优点 较高的淀积速率 薄膜纯度高 厚度控制精确 生长机理简单缺点 台阶覆盖能力差 工艺重复性不好 淀积多元化合金薄膜时组分难以控制溅射是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点那个 将离子引向被溅射物质 轰击被溅射物质使其原子或分子逸出从而淀积到硅晶圆片上形成薄膜 这个过程就像用石头用力扔向泥浆中 会溅出许多泥点落在身上一样 优点 淀积薄膜与衬底附着性好 淀积多元化合金薄膜时组分容易控制 较高的薄膜溅射质量 高纯靶材 高纯气体 化学气相淀积 CVD 指把含有构成薄膜元素的两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内 然后他们相互之间发生化学反应 形成一种新的材料 沉积到晶片表面上 淀积氮化硅膜 Si3N4 就是一
