微纳加工 | MEMS加工简介(一)

微系统(Microsystem,欧洲惯用词)、微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS,美国惯用词)和微机械(Micromachine,日本惯用词)三个不同的名词,都是泛指利用现代微纳加工技术将微传感器、微执行器、微电子、微能源、控制线路等微型功能单元集成在一个芯片上,具有光、电子、机械、数据获取和分析等功能的完整智能化微型系统。

随着医药、生物、国防、环保、通讯、航空以及航天等领域的革新和发展,人们不断追求尺度上越来越小,而功能上越来越完善的微小尺度结构的系统装置。形在年就己经提出了关于微小化是未来重要发展方向的富有远见的观点,并准确预见制造技术将沿着从宏观到微观的途径发展,从而在微观尺度领域造就各种批量复制加工工具。

从1948年巴丁本莱等人发明晶体管开始,人们就开始了对半导体材料的微加工研究,其目的是在尽可能小的面积上集成更多的电子学功能单元。微电子技术的快速发展使集成电路芯片的尺度不断缩小,也激发了人们继续探索关于微观尺度生产领域制造技术新的突破口,当人们意识到利用半导体芯片的批量制造技术可以使数百万计的灵巧的微小零件同时制作出来

,并由此生产许多宏观机械系统的微米尺度的样机后,就在微小型机械制造领域开始了一场新的革命。

1962年第一个硅微型压力传感器问世,其后又出现了尺寸50um-500um的齿轮、齿轮泵、气动涡轮等微型结构,1987年又研制出转子直径为60-120um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、制作微小系统的潜力,这也导致了微型机电系统(MEMS)的出现。1987年在美国举行的IEEE Micro Robots and Teleoperators会议以“小机械,大机遇一关于新兴领域微动力学的报告”为主题,标志着研究己经成为世界范围内的研究热点。

微机电系统不单是宏观机械的微型化,也不是微结构的简单叠加,而是通过大量的接口将不同功能单元互相连接实现多种功能完整的系统。外界环境中的光、电、温度、力、、声等物理和化学信号被传感器检测并转化为电信号,经过信息获取、转换、处理后,信号被传输到控制器并经过放大器进行放大后以控制执行器与外界互动。与传统只涉及单一电学功能的集成电路相比,微机电系统通过传感器能感受外界的光、电、温度、力、、声等物理化学信号并控制执行器与外界发生互动的反应。

微机电系统技术是是一门多学科交叉的新兴学科,涉及精密微机械、微电子、材料科学、微细加工、系统与控制技术等多学科和物理、化学、力学、生物学等基础学科。微机电系统的目标一方面在于通过微型化和集成化,使数以百万计的微小型零部件能够批量制作而大大降低成本,并具有节能、节材、小惯性、易控制、高速度、高信息密度、高功能密度、高互联密度等优点,能在极小的空间里面实现多种功能,另一方面还在于制备各类具有不同新功能的微系统,可以完成大尺寸系统所不能完成的任务,例如可夹起一个红血球的微型镊子,能在磁场中飞行的机器蝴蝶以及能通过多变量协调控制、能进入人体血管内进行诊治工作的微型机器人等。

微机电系统技术是一个微小而复杂的系统,要实现这一系统除理论基础研究外,还需要发展多种基本技术,这包括,(1)微机电系统的设计技术,包括材料的选择,如构造材料和功能材料(2)微细加工技术,如加工高深宽比,多层或者三维微结构加工(3)微传感器光、电、温度、力、、声等一微执行器微泵、微阀、微开关等(5)微机电系统的组装以及键合技术等关键技术。微系统技术的基础研究涵盖了纳米科技所面临的主要问题,随着研究对象尺寸的减小,需要深入探讨和认知在微米纳米尺度下的微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学、微结构和表面物理效应和化学过程等。

在微机电系统的基本技术中,微细加工技术是实现微机电系统的基础,也是微机电系统的核心技术和研究热点。

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