2022年微机电系统制造工艺史 .pdf

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1、微 机 电 传 感 器1 微电子机械系统1.1 微机电系统 (micro electro mechanical systems MEMS) 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，它涉及电子工程， 机械工程，材料工程，物理学化学以及生物医学等学科与技术。它一诞生就立即引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视。经过十几年的发展它已成为世界瞩目的重大科技领域之一。MEMS从广义上包含了毫米和微米尺度的机械，它并非单纯是宏观机械的微小化，而是指可以批量制作的， 集微型机构、微型传感器、微型致动器以及信号处理和控制电路直至接口通讯和电源等于一体的微型系统 1. MEMS的研究目

2、标在于通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新的科学技术领域和产业。MEMS由多学科交叉构成， 又服务于多学科， 使它有广阔的应用前景，可应用于生物医学、航空、航天、军事、工业、农业、交通、信息以及家庭，如细胞操作，精细外科手术，排除人体血管的血栓，定位定量施药；微卫星中的微惯导装置、微型仪表、微型飞机；分布式战场传感器网络； 狭窄空间及特殊工况下的维修微机器人；农业基因工程、环境监测；汽车自动驾驶及安全保障系统; 通讯和计算设备等等。各国的科学家们预测， MEMS在 21 世纪将发展成为庞大的高新技术产业，如同 20 世纪由于大规模集成电路的诞生而带来一场信息革命那样。

3、1.2 微机电系统的发展状况名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 1.2.1 国外发展现状微电子机械系统自 20世纪80年代末期发展至今， 一直受到世界各发达国家的广泛重视 ,美、日、德、荷兰等国政府将MEMS 技术作为战略性的研究领域之一， 投入巨资进行专项研究， 美国和日本的 MEMS 技术处于领先地位。美国完成 MEMS 的军事应用研究报告， 指出了MEMS 在精确制导武器、 灵巧武器、侦察通讯、破坏敌方指挥系统

4、和战斗力等方面的应用前景。美国宇航局已在实施微型卫星(0. 1kg10 kg) 计划,并提出了纳米卫星 ( 0. 1 kg) 设想。美国的大学、 国家实验室和公司已有大量的 MEMS 研究小组，并已开发出许多种实用化的MEMS产品进入市场。 如AD 公司的加速度计， 管芯尺寸为 1. 5 mm 1. 5 mm ，量程达 50 g ，灵敏度为 15mV/g ；Park 公司已开发出用于扫描隧道显微镜 (STM) 和原子力显微镜 (AFM) 的微型传感器， 它由悬臂梁、微针尖以及信号检测和放大的集成电路组成。日本在微机械技术领域的研究十分活跃，近几年已经利用电火花加工技术、IC 技术和光成型技术加

5、工出各种传感器和执行器，研制成功主要用于生物和医疗的微型机器人。德国的LIGA 技术处于国际领先水平，他们已在实验室里制造出了微传感器、微电机、微执行器、集成光学和微光学元件、微型流量计以及直径为数百微米的金属双联齿轮等微机械零件。1.2.2国内发展现状我国从20 世纪80 年代末开始研究 MEMS，1995年国家科技部实施了攀登计划“微电子机械系统项目” (1996 年1999 年) 。 1999 年名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - -

6、 - - - - - 实施了国家重点基础研究发展计划“集成微光机电系统研究项目”。已形成了几个研究方向； 微型惯性器件和惯性测量组合；机械量微型传感器和致动器；微流量器件和系统；生物传感器、生物芯片和微操作系统；微型机器人；硅和非硅制造工艺。我国在基础理论研究和相关技术方面取得了一些有特色的成果,有些已经达到国际先进水平。开展了包括微型直升机、微传器(加速度计、微陀螺、压力传感器、流量传感器、气敏传感器、湿敏传感器、红外传感器阵列) 、微泵、微喷、微马达、微光器件、DNA 芯片等 MEMS 器件的研究。清华大学于2000 年6 月发射成功进入 700 km太阳轨道的“航天清华一号”微小卫星，其

7、质量只有 60 kg、体积仅 0. 07 m3 。北京大学微电子所以IC 加工线为基础，深入开展硅微机械加工工艺研究,形成了成熟的工艺技术。目前MEMS 已从实验室探索走向产业化轨道，潜在市场很大,应用领域很广 ,已经广泛应用于化工工业、能源动力、信息通讯、国防产业、航空航天和医药及生物工程等领域,而且在家庭服务、人体研究及环境治理等方面也有巨大的应用前景。2. 微机电传感器微机电系统的快速发展是离不开微机电传感器的快速发展，其中MEMS惯性传感器在实际生活中是应用的最为广泛的。MEMS惯性传感器又包括 MEMS加速计、MEMS陀螺仪。MEMS加速计、MEMS陀螺仪的工作原理是经典力学中牛顿定

8、律。他们的主要功能是测量运动体（如车辆、飞机、导弹、舰艇和人造卫星等）的质心运动和姿势运动（共六个维度），可以对运动实体实现控制和导航。自20世纪80年代以来，经过名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 20多年的努力， MEMS惯性传感器技术上已经取得了巨大进展。低精度的MEMS加速度计和 MEMS陀螺仪已有产品问世， 正在推广应用。 专家预言，不久研制出带扣大小的微型惯性系统是完全有可能的。预计在未来几年 MEMS惯

9、性仪表将独占低精度的军民两用市场。2.1 MEMS 加速计国外研发的微机电加速计（MMA ）的结构方案很多，如叉指式、扭摆式、悬臂梁式、和“三明治”式等。目前，MMA 已有系列产品，如美国 Analog Devices 公司的 ADXL ，Silicon Designs Inc.(SDI)公司的 1010和1012，Motorola 公司的 MMASG，EG&Sensors 等等 。这些产品的量程为 2100g,进度为满量程的 1%。目前国内研制 MEMS加速计的单位很多。例如清华大学，信息产业部电子13所，北京大学，上海冶金研究所，东南大学，上海交大，航天总公司16所，航天 771所，华北工

10、程学院，北京理工大学，哈尔滨工业大学，重庆大学和信息产业部 49所等。经过多年的努力，已经取得了巨大的进步。2.2 MEMS陀螺仪国外研制的 MMG都是参与振动式陀螺原理，有多种结构形式，如框架式，叉音式，振动轮式，振动环式和四叶式等。低精度的民用产品都是针对汽车应用的，偏置稳定性为0.1度每秒到 1.0度每秒，量程为100度每秒到 400度每秒。偏置稳定性优于 0.05度每秒的仪表可以军民两用。国内研究微机电陀螺仪的单位主要有清华大学，东南大学以及上海冶金所。东南大学曾公布了微机电陀螺偏置稳定性为0.1度每秒到0.3度每秒。清华大学的 MMG研究处于国内领先水平。名师资料总结 - - -精品

11、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 几十年来，微机电传感器的研究已经取得重大进步。压力传感器，加速计以及陀螺仪都已经是比较成熟的产品，占领了很大的民用市场，增长的势头有增无减。 但是微机电惯性传感器 （包括微机电加速计和微机电陀螺仪） 的精度和稳定性还可以进一步提高，不仅能满足名用市场的要求，而且可以广泛的运用于军用领域。这方面的潜力巨大，世界各国正在投入巨大力量进行研究。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -