微机械发展史

微机械发展史

摘要：微机械最早可追溯到19世纪。19世纪，作为照相制版技术诞生了光制造技术。20世纪60年代，美国相继开发出了结晶异方向腐蚀、杂质浓度依存性腐蚀、阳极键合等基本微加工技术。进入70年代，美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想。70年代到80年代硅传感器随着半导体加工技术进步也有很大发展，利用微加工技术（micromachining）制造出多种微小尺寸的机械零部件。1988年，美国加州大学Berkeley分校Muller研究小组发表了转子直径为60～100?的硅静电马达，它的报道在当时引起了很大的轰动。自此，MEMS一词渐渐成为一个世界性的学术用语，MEMS技术的研究开发也日益成为国际上的一个热点。 关键词：微机械 MEMS技术 发展历程 发展趋势 商业浪潮

0 前言

微电子机械系统 ( Micro Electro - Mecba6ical System, MEMS ) ，简称微机械，是以微电子技术和微加工技术为基础的一项新技术。早在六十年代，随着微电子技术的产生和发展，一些富有创见的科学家便开始探索用硅微加工的方法制作传感器、执行器和控制器，并设想将它们集成在一个微小的几何空间内，从而形成高度自动化、智能化，可以大批生产，价格低廉的微电子机械系统。但在这个阶段，尚不具备成熟的用于制作微机械结构和器件的加工技术。微机械仅仅是一种概念或设计思想。八十年代，大规模集成电路技术己经成熟， 人们用I C工艺成功地制作出了微机械压力传感器以及微铰链、微连杆、微齿轮等等一系列微机械零部件。微机械是在八十年代后期崛起的一门新兴的前沿学科。

1 国际上微机械的发展情况

早在1941年就出现了半导体传感器—光敏电阻，但直到70年代集成电路出现以后它才得到发展。晶体管和集成电路的发明一方面促进了电子电路和结构型传感器的结合，另一方面使人们能够利用固态物性来制作传感器，从而导致了物性型传感器的出现，其中半导体传感器是最重要的一种。因为半导体材料(特别是硅)对力，热,磁等多种信号有敏感特性，而且可以利用开发集成电路的先进工艺技术，目前半导体传感器有立敏，光敏，磁敏，气敏，离子敏，生物敏等多种类型的产品。由于可以采用平面工艺，半导体传感器还具有微型化的潜力。经过不断地努力，人们研制出了多种微型传感器，部分还集成了简单的信号处理电路，同时也为微机械加工(Micro Machining)技术的出现奠定了基础。随着微机械加工技术的内容不断扩充，水平不断提高，微机械加工技术成为力敏传感器的关键技术，并扩展了应用范围。

微机械加工技术的迅速发展导致了微执行器的诞生。人们在实践中认识到，硅材料不仅有优异的电学和光学性质。微机械加工技术的出现，使得制作硅微机械部件成为可能。在80年代初，一些有远见的科学家提出了微机械执行器的概念。1987年，加州大学伯克利分校的范龙生等人用表面微机械加工的方法制成了多晶硅齿轮，引起了国际学术界的震动。随后，汽车用微机械多路绝压传感器投入批量生产，从而表明MEMS技术作为一个重要的交叉学科出现了。

1 9 8 8 年，美国加洲大学伯克利分校又首先用 I C工艺研制成功了06 0 u m的静电微电机。这一成果使世界为之轰动，它标志着微机械技术己经发展成了一门独立的新兴学科。人类在认识与改造微观世界方面的能力也进入了一个新的阶段目前， 作为二十一世纪的高新技术和潜在的庞大高新技术产业，微机械己引起世界各国的普遍关注，国内外众多的大学、科研和产业部门都正在进行广泛深入的研究。微型机械不是传统机械单纯地在尺度上微小型化，当特征尺寸达到微米级后，微型机械的力学系统特征、材料的物理性质及其对环境变化的响应与传统机械都有很大不同，它通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统，因而它远远超出了传统机械的概念和范畴。微机械学就是在研究微尺度力学特性和微构件机械特性的基础上进行微型机械的分析与设计，开发出与传统机械的结构、材料、功能和原理不同的机械装置。 微型机械具有广阔的应用前景，它的出现无疑将深刻影响国民经济和国防工业各个部门的未来发展。微机械是一种独立的微小型化的机电系统，主要由微驱动器，微传感器，微执行器、微控制器以及能源等几种要素组成。以微电机为代表的微驱动器一直是微机械系统的关键技术和研究热点之一， 微电机的技术水平在一定程度上反应了一个国家微机械发展的侧面。电磁微电机具有一些其他类电机无法比拟的优点，是目前最有前途的微驱动器之一。十几年来，人们己经设计制作出了多种形式和结构的电磁微电机，但是有关电磁微电机的设计理论和实验研究仍然处于探索完善阶段目前，微机械的结构尺寸尚无统一的标准。按照一种习惯划分，结构尺寸在 1 毫米～1 0 毫米的，称为微小机械 ( Minimechanism) ； 1微米～1毫米的称为微型机械 ( Submicromechansm ) ， 统称为“ 微机械” 。0.1纳米～0.1微米的，称为纳米机械。

自1947年Schockley、Bardeen和Brattain发明晶体管以来，微电子技术有了突飞猛进的发展。1953年，Charles S. Smith研究了半导体的压阻效应。Kulite公司于1970年和1976年，分别引入了各向同性和各向异性腐蚀技术。国家半导体公司于1974年将大批量生产的压力传感器推向市场。1982年，“微机械”这一名词应运而生。这时，体硅微机械加工技术已成为制作微机械器件的有效手段。1985年，牺牲层技术被引入微机械加工，“表面”微机械加工概念由此产生。1987年，U. C. Berkeley利用微机械加工技术制作出了世界上第一个微静电马达，掀开了微机械发展的新一页。1987-1988年间，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，MEMS一词在这些会议中被广泛采纳并渐渐成为一个世界性的学术用语。1993年，ADI公司成功地将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。

由于 MEMS 具有的划时代的意义，世界各国都极为关注其发展，在人力和物力两方面均给予了强有力的支持。据有关机构统计，MEMS研发活动最积极的国家和地区依次为美国、德国、日本、斯堪的纳维亚地区、法国、中国、韩国、英国、瑞典和中国台湾地区。

2 中国微机械的发展情况

我国非常重视MEMS传感器的研究和发展工作，而且起步较早。国家自然科学基金委

组织的立项起步于1989年，中国科学院于1991年确立重点研究项目。1993年和1994年，国家基金委、国家科委先后确定MEMS为重点项目和重大项目。自1993年底起，国防科工委投入数千万元用于“九五”期间微型机械的研究工作，并且建立了两个微加工基地（IC、LIGA）和一个项目研究中心。此后，国家基金委又确立了若干微机电系统的基础研究项目，国家科技部组织了集成微光机电系统重大基础研究项目，S-863计划也将MEMS主题列入规划。

我国科学工作者积极从事微型机电系统研究，在微型驱动器和微型机器人的开发上取得重要进展。例如20世纪90年代初期，采用压电陶器驱动已研制出位移范围为50纳米的一维驱动器，以及位移范围为50?*50?的二维联动驱动器。在此基础上研制成功三自由压电陶器驱动的微型机器人，其位移范围为50?*50?*50?，精度达到0.1?。另据报道，我国还研制出电致伸缩陶器驱动的二自由度微型机器人，其运动范围10mm，位移分辨率0.01?。此外，在微型电机，微型泵以及微传感器等方面也取得可喜成果。

3 微机械的主要发展历程

19世纪：照相制版

1822年,法国的涅普斯首先进行了照相制版的实验。1839年，苏格兰的庞顿阐明了现代照相制版方法。1850年，法国的吉洛发明了铜锌版的照相制版法。1948年，美国发明了无粉腐蚀法，照相制版开始获得广泛使用。

1951：布劳恩（Braun）管用影空板（shadow mask）（美国RCA公司）（用于光制造工程）

1954：压阻效应的发现

所谓压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻效应被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，把力学量转换成电信号。

1962：结晶各向异性腐蚀

1963：半导体压力计（日本丰田研究所）

1967：振动栅极晶体管（美国Westinghouse公司）（利用牺牲层腐蚀方法）

1968：阳极键合（美国Mallory公司）

1969：杂质浓度依存性腐蚀

1970：硅微小电极（美国斯坦福大学）（硅细微构造体）

1973：导管用硅压力传感器（斯坦福大学） 微型离子敏场效应管（日本东北大学）

1975：集成化气体色谱仪（斯坦福大学）（传感器+执行器）

1979：集成化压力传感器（美国密歇极大学）（传感器+电路）

1981：水晶微机械（日本横河电机）

1982：LIGA工艺（原联邦德国原子力研究所）（高深宽比细微加工技术）

LIGA工艺是由德国卡尔斯鲁厄核研究中心在1982年开发出来的，其发展非常迅速。目前，德国、美国、日本以及我国都开展了在该技术领域的研究。

1986：硅伺服型加速度传感器（瑞士CSEM） 集成化微流量控制器（日本东北大学）

1987：微型齿轮（美国加州大学Berkeley分校，贝尔研究所）

1988：微静电电机（美国加州大学Berkeley分校）

4 微机械引发的商业化浪潮

MEMS第一轮商业化浪潮始于20世纪70年代末80年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器。由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号。后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪。

第二轮商业化出现于20世纪90年代，主要围绕着PC和信息技术的兴起。TI公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道。

第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充。尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是MEMS一个增长强劲的领域。

推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件。近来对MEMS关注的提高部分来自于表面微加工技术，它把牺牲层(结构制作时使其它层分开的材料)在最后一步溶解，生成悬浮式薄移动谐振结构。