微系统及其加工方法的介绍

微系统及其加工方法的介绍

孔亚君

(南昌航空大学，江西 南昌 330063)

摘要：微细加工技作为现代加工技术的延伸，是二十一世纪的关键技术之一。本文介绍了微机电系统的原理及特点，列举了一些微机电系统中所涉及到的微细加工方法，并阐述了其发展及应用。

关键词：微机电系统微细加工技术微机电微电子

微系统技术，最早被美国提出[1-2]，简称MEMS(micro electro mechanical system)。微电系统是指微机械加工技术以及微电子技术(IC)的结合，能够批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理，并且融合控制电路、接口、通讯等于一体微型系统。微系统开辟了一个全新的技术领域，在21世纪的今天，伴随着环保、医药、通讯等各个领域的迅猛发展，对于功能化、微型化的器件的需求量与日俱增，这其中就需要各种微加工方法的出现，否则制造不出微型器件，何谈微系统。从上世纪60年代微系统的出现到如今，各种微细加工方法的出现逐步的完善了微系统领域，并且呈现了愈发进步的趋势。

1微系统的介绍

一般认为，微电子机械系统通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，结合了电子和机械部件并用IC集成工艺加工的装置。微机电系统是多种学科交叉融合具有战略意义的前沿高技术，是未来的主导产业之一。微系统自八十年代末开始受到世界各国的广泛重视，主要的技术途径有以下三类：一是以美国为代表的硅基微加工技术；二是以德国为代表发展起来的利用X射线深度光刻、微电铸、微铸塑的LIGA技术；三是以日本为代表发展起来的精密加工技术，如微细电火花EDM、超声波加工[3]。

微系统的主要特点如下[4-6]：

(1)微型化。

主要表现在MEMS的体积小、质量轻、功耗低、惯性小、谐振频率高。例如，一个压力成像器的微系统，整个膜片厚度只有10mm×10mm的面上含有1024个微型压力传感器。并且每个芯片尺寸为50μm×50μm。

(2)多样化。

(3)能批量生产，复合MEMS的要求。

用硅微加工工艺可在同一硅片上同时制造出成百上千的微型机电装置，大大降低成本。

(4)多学科交叉。

融合了物理、化学、生物、医药等多学科，并且集合了当今许多尖端的科研成果，同时其它学科的发展进步也能够带动微系统的发展。

2 微细加工技术的介绍

(1)脉冲电流电解加工技术。

电解加工过程中，在工具阴极和工件阳极之间保持较小间隙，电解液从间隙中流过，在间隙上施加脉冲电流，工件阳极开始溶解。溶解产物被流动的电解液排出加工区。工具阴极向工件恒速进给，以保持加工间隙的恒定，随着工件不不断进给，最终在工件上将会形成与工具图形近乎类似的形状。图1为该技术加工出的试样[6]。

图1　微电解加工出的试样

(2)EFAB技术。

加工原理为[7]：利用3DCAD软件将所要加工的图形分解成许多跟光刻模具对应的二维图形。在此基础之上用金属材料制作一系列的光刻模具作为阳极，并包封好。再利用电沉积的方法在按照光刻模具形貌的的情况下沉积出牺牲层金属(后面需要溶解消除的金属)跟所需金属，进过多次重复后，利用化学试剂溶剂在不损伤结构金属的情况下溶解掉之前电沉积的牺牲层金属，在不损伤结构金属的情况下即能得到所需要的图形。

(3)LIGA技术。

LIGA是把同步辐射X射线深层光刻、微电铸和微复制工艺的集合。先利用同步辐射X射线光对光刻胶进行深度光刻形成模腔后再用金属电铸得到微结构，所得到的微结构就可以作为母模板从而进行微复制。该技术可以批量复制，而且加工精度高。图2为LIGA加工出的微型齿轮[8]。

图2　硅微电容式加速度传感器

(4)硅表面微加工技术。

硅表面微加工技术以硅作为衬底，利用腐蚀、沉积、光刻、刻蚀等工艺，在硅表面沉积多层图形，最后再利用化学方法去除掉多余部分的方法[9]。该方法能与IC工艺很好的结合，工艺简单，并且能加工出厚度为微米级的器件。

3总结

微系统是集成电路IC工艺以及微加工工艺的结合，微细加工技术的发展无疑会促进微系统的进步，随着人们对于微细加工技术的研究的不断深入，未来将会有更多适合MEMS的微细加工技术被开发出来，必将对我们的生活带来深刻的影响。

参考文献

[1]梅涛，伍小平.微机电系统[M].北京：化学工业出版社，2005，4-6.

[2]石庚辰.微机电系统技术[M].北京：国防工业出版社，2002，1-3.

[3]Smith CS.Piezoresistance effect in gemanium and silicon[J].Physics Review，1954，94(1)42-49.

[4]Frynman R P.There’s plenty of room at the bottom：An invitation to enter a new world of physics[J].Engineering and Science，1960，25(6)：22-36.

[5]Nathanson H C，Newell W E，Wickstrom R A，et al.The resonant gate transistor[J].IEEE Trans Electron Devices，1967，14(3)：117-133.

[6]朱荻，王明环，明平美，等.微细电化学加工技术[J].纳米技术与精密工程，2005，3(2)：151-155.

[7]Cohen A，Zhang G，Tseng F G，etal.EFAB：rapid，low-cost desktop micromachining of high aspect ratio true 3-D MEMS[A].Micro Electro Mechanical Systems，1999.MEMS 99.Twelfth IEEE International Conference on[C].Orlando，Florida，USA：1999，8(1)：244-251.

[8]Burbaum C，Mohr J，Bley P.Fabrication of capacitive acceleration sensors by the LIGA technique[J].Sensors and Actuators A：Physical，1991，27(1-3)：559-563.

[9]黄良甫，贾付云.微机电系统的加工技术及其研究进展[J].真空与低温，2003，9(1)：1-5.