微系統及其加工方法的介紹

微系統及其加工方法的介紹

孔亞君

(南昌航空大學，江西 南昌 330063)

摘要：微細加工技作為現代加工技術的延伸，是二十一世紀的關鍵技術之一。本文介紹了微機電系統的原理及特點，列舉了一些微機電系統中所涉及到的微細加工方法，并闡述了其發展及應用。

關鍵詞：微機電系統微細加工技術微機電微電子

微系統技術，最早被美國提出[1-2]，簡稱MEMS(micro electro mechanical system)。微電系統是指微機械加工技術以及微電子技術(IC)的結合，能夠批量制作，集微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理，并且融合控制電路、接口、通訊等于一體微型系統。微系統開辟了一個全新的技術領域，在21世紀的今天，伴隨著環保、醫藥、通訊等各個領域的迅猛發展，對于功能化、微型化的器件的需求量與日俱增，這其中就需要各種微加工方法的出現，否則制造不出微型器件，何談微系統。從上世紀60年代微系統的出現到如今，各種微細加工方法的出現逐步的完善了微系統領域，并且呈現了愈發進步的趨勢。

1微系統的介紹

一般認為，微電子機械系統通常指的是特征尺度大于1μm小于1nm，結合了電子和機械部件并用IC集成工藝加工的裝置。微機電系統是多種學科交叉融合具有戰略意義的前沿高技術，是未來的主導產業之一。微系統自八十年代末開始受到世界各國的廣泛重視，主要的技術途徑有以下三類：一是以美國為代表的硅基微加工技術；二是以德國為代表發展起來的利用X射線深度光刻、微電鑄、微鑄塑的LIGA技術；三是以日本為代表發展起來的精密加工技術，如微細電火花EDM、超聲波加工[3]。

微系統的主要特點如下[4-6]：

(1)微型化。

主要表現在MEMS的體積小、質量輕、功耗低、慣性小、諧振頻率高。例如，一個壓力成像器的微系統，整個膜片厚度只有10mm×10mm的面上含有1024個微型壓力傳感器。并且每個芯片尺寸為50μm×50μm。

(2)多樣化。

(3)能批量生產，復合MEMS的要求。

用硅微加工工藝可在同一硅片上同時制造出成百上千的微型機電裝置，大大降低成本。

(4)多學科交叉。

融合了物理、化學、生物、醫藥等多學科，并且集合了當今許多尖端的科研成果，同時其它學科的發展進步也能夠帶動微系統的發展。

2 微細加工技術的介紹

(1)脈沖電流電解加工技術。

電解加工過程中，在工具陰極和工件陽極之間保持較小間隙，電解液從間隙中流過，在間隙上施加脈沖電流，工件陽極開始溶解。溶解產物被流動的電解液排出加工區。工具陰極向工件恒速進給，以保持加工間隙的恒定，隨著工件不不斷進給，最終在工件上將會形成與工具圖形近乎類似的形狀。圖1為該技術加工出的試樣[6]。

圖1　微電解加工出的試樣

(2)EFAB技術。

加工原理為[7]：利用3DCAD軟件將所要加工的圖形分解成許多跟光刻模具對應的二維圖形。在此基礎之上用金屬材料制作一系列的光刻模具作為陽極，并包封好。再利用電沉積的方法在按照光刻模具形貌的的情況下沉積出犧牲層金屬(后面需要溶解消除的金屬)跟所需金屬，進過多次重復后，利用化學試劑溶劑在不損傷結構金屬的情況下溶解掉之前電沉積的犧牲層金屬，在不損傷結構金屬的情況下即能得到所需要的圖形。

(3)LIGA技術。

LIGA是把同步輻射X射線深層光刻、微電鑄和微復制工藝的集合。先利用同步輻射X射線光對光刻膠進行深度光刻形成模腔后再用金屬電鑄得到微結構，所得到的微結構就可以作為母模板從而進行微復制。該技術可以批量復制，而且加工精度高。圖2為LIGA加工出的微型齒輪[8]。

圖2　硅微電容式加速度傳感器

(4)硅表面微加工技術。

硅表面微加工技術以硅作為襯底，利用腐蝕、沉積、光刻、刻蝕等工藝，在硅表面沉積多層圖形，最后再利用化學方法去除掉多余部分的方法[9]。該方法能與IC工藝很好的結合，工藝簡單，并且能加工出厚度為微米級的器件。

3總結

微系統是集成電路IC工藝以及微加工工藝的結合，微細加工技術的發展無疑會促進微系統的進步，隨著人們對于微細加工技術的研究的不斷深入，未來將會有更多適合MEMS的微細加工技術被開發出來，必將對我們的生活帶來深刻的影響。

參考文獻

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[2]石庚辰.微機電系統技術[M].北京：國防工業出版社，2002，1-3.

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[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，王明環，明平美，等.微細電化學加工技術[J].納米技術與精密工程，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]黃良甫，賈付云.微機電系統的加工技術及其研究進展[J].真空與低溫，2003，9(1)：1-5.