微機(jī)械發(fā)展史

1、微機(jī)械發(fā)展史摘要：微機(jī)械最早可追溯到19世紀(jì)。19世紀(jì)，作為照相制版技術(shù)誕生了光制造技術(shù)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)相繼開(kāi)發(fā)出了結(jié)晶異方向腐蝕、雜質(zhì)濃度依存性腐蝕、陽(yáng)極鍵合等基本微加工技術(shù)。進(jìn) 入70年代，美國(guó)學(xué)者提出了基于硅半導(dǎo)體材料的微機(jī)械的設(shè)想。70年代到80年代硅傳感器隨著 半導(dǎo)體加工技術(shù)進(jìn)步也有很大發(fā)展，利用微加工技術(shù)(micromachining)制造出多種微小尺寸的機(jī) 械零部件。1988年，美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校Muller研究小組發(fā)表了轉(zhuǎn)子直徑為60100 的硅靜電馬達(dá)，它的報(bào)道在當(dāng)時(shí)引起了很大的轟動(dòng)。自此，MEMS 一詞漸漸成為一個(gè)世界性的學(xué)術(shù) 用語(yǔ)，MEMS技術(shù)的研究

2、開(kāi)發(fā)也日益成為國(guó)際上的一個(gè)熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：微機(jī)械 MEMS技術(shù)發(fā)展歷程發(fā)展趨勢(shì)商業(yè)浪潮0前言微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro Electro - Mecba6ical System, MEMS )，簡(jiǎn)稱微機(jī)械，是 以微電子技術(shù)和微加工技術(shù)為基礎(chǔ)的一項(xiàng)新技術(shù)。早在六十年代，隨著微電子技術(shù)的產(chǎn)生和 發(fā)展，一些富有創(chuàng)見(jiàn)的科學(xué)家便開(kāi)始探索用硅微加工的方法制作傳感器、執(zhí)行器和控制器， 并設(shè)想將它們集成在一個(gè)微小的幾何空間內(nèi)，從而形成高度自動(dòng)化、智能化，可以大批生產(chǎn)， 價(jià)格低廉的微電子機(jī)械系統(tǒng)。但在這個(gè)階段，尚不具備成熟的用于制作微機(jī)械結(jié)構(gòu)和器件的 加工技術(shù)。微機(jī)械僅僅是一種概念或設(shè)計(jì)思想。八十年代，大規(guī)模集成電

3、路技術(shù)己經(jīng)成熟， 人們用I C工藝成功地制作出了微機(jī)械壓力傳感器以及微鉸鏈、微連桿、微齒輪等等一系列 微機(jī)械零部件。微機(jī)械是在八十年代后期崛起的一門新興的前沿學(xué)科。1國(guó)際上微機(jī)械的發(fā)展情況早在1941年就出現(xiàn)了半導(dǎo)體傳感器一光敏電阻，但直到70年代集成電路出現(xiàn)以后它才 得到發(fā)展。晶體管和集成電路的發(fā)明一方面促進(jìn)了電子電路和結(jié)構(gòu)型傳感器的結(jié)合，另一方 面使人們能夠利用固態(tài)物性來(lái)制作傳感器，從而導(dǎo)致了物性型傳感器的出現(xiàn)，其中半導(dǎo)體傳 感器是最重要的一種。因?yàn)榘雽?dǎo)體材料(特別是硅)對(duì)力，熱,磁等多種信號(hào)有敏感特性，而且 可以利用開(kāi)發(fā)集成電路的先進(jìn)工藝技術(shù)，目前半導(dǎo)體傳感器有立敏，光敏，磁敏，氣敏，離

4、 子敏，生物敏等多種類型的產(chǎn)品。由于可以采用平面工藝，半導(dǎo)體傳感器還具有微型化的潛 力。經(jīng)過(guò)不斷地努力，人們研制出了多種微型傳感器，部分還集成了簡(jiǎn)單的信號(hào)處理電路， 同時(shí)也為微機(jī)械加工(Micro Machining)技術(shù)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。隨著微機(jī)械加工技術(shù)的內(nèi)容 不斷擴(kuò)充，水平不斷提高，微機(jī)械加工技術(shù)成為力敏傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。微機(jī)械加工技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了微執(zhí)行器的誕生。人們?cè)趯?shí)踐中認(rèn)識(shí)到，硅材料不僅 有優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。微機(jī)械加工技術(shù)的出現(xiàn)，使得制作硅微機(jī)械部件成為可能。在 80年代初，一些有遠(yuǎn)見(jiàn)的科學(xué)家提出了微機(jī)械執(zhí)行器的概念。1987年，加州大學(xué)伯克利分 校的范龍

5、生等人用表面微機(jī)械加工的方法制成了多晶硅齒輪，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的震動(dòng)。隨 后，汽車用微機(jī)械多路絕壓傳感器投入批量生產(chǎn)，從而表明MEMS技術(shù)作為一個(gè)重要的交 叉學(xué)科出現(xiàn)了。1 9 8 8年，美國(guó)加洲大學(xué)伯克利分校又首先用I C工藝研制成功了 06 0 u m的靜電微 電機(jī)。這一成果使世界為之轟動(dòng)，它標(biāo)志著微機(jī)械技術(shù)己經(jīng)發(fā)展成了一門獨(dú)立的新興學(xué)科。 人類在認(rèn)識(shí)與改造微觀世界方面的能力也進(jìn)入了一個(gè)新的階段目前，作為二十一世紀(jì)的高 新技術(shù)和潛在的龐大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，微機(jī)械己引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外眾多的大學(xué)、 科研和產(chǎn)業(yè)部門都正在進(jìn)行廣泛深入的研究。微型機(jī)械不是傳統(tǒng)機(jī)械單純地在尺度上微小型 化，當(dāng)

6、特征尺寸達(dá)到微米級(jí)后，微型機(jī)械的力學(xué)系統(tǒng)特征、材料的物理性質(zhì)及其對(duì)環(huán)境變化 的響應(yīng)與傳統(tǒng)機(jī)械都有很大不同，它通常是指可以成批制作的集合微機(jī)構(gòu)、微驅(qū)動(dòng)器、微能 源以及微傳感器和控制電路、信號(hào)處理裝置等于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)，因而它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳 統(tǒng)機(jī)械的概念和范疇。微機(jī)械學(xué)就是在研究微尺度力學(xué)特性和微構(gòu)件機(jī)械特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行 微型機(jī)械的分析與設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出與傳統(tǒng)機(jī)械的結(jié)構(gòu)、材料、功能和原理不同的機(jī)械裝置。微型機(jī)械具有廣闊的應(yīng)用前景，它的出現(xiàn)無(wú)疑將深刻影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)各個(gè)部門 的未來(lái)發(fā)展。微機(jī)械是一種獨(dú)立的微小型化的機(jī)電系統(tǒng)，主要由微驅(qū)動(dòng)器，微傳感器，微執(zhí) 行器、微控制器以及能源等幾種要素組成。以

7、微電機(jī)為代表的微驅(qū)動(dòng)器一直是微機(jī)械系統(tǒng)的 關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)之一，微電機(jī)的技術(shù)水平在一定程度上反應(yīng)了一個(gè)國(guó)家微機(jī)械發(fā)展的 側(cè)面。電磁微電機(jī)具有一些其他類電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是目前最有前途的微驅(qū)動(dòng)器之一。 十幾年來(lái)，人們己經(jīng)設(shè)計(jì)制作出了多種形式和結(jié)構(gòu)的電磁微電機(jī)，但是有關(guān)電磁微電機(jī)的設(shè) 計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)研究仍然處于探索完善階段目前，微機(jī)械的結(jié)構(gòu)尺寸尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。按照一 種習(xí)慣劃分，結(jié)構(gòu)尺寸在1毫米1 0毫米的，稱為微小機(jī)械(Minimechanism) ；1微米1毫米的稱為微型機(jī)械(Submicromechansm )，統(tǒng)稱為“微機(jī)械”。0.1納米0.1 微米的，稱為納米機(jī)械。自1947年Scho

8、ckley、Bardeen和Brattain發(fā)明晶體管以來(lái)，微電子技術(shù)有了突飛猛進(jìn) 的發(fā)展。1953年，Charles S. Smith研究了半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。Kulite公司于1970年和1976 年，分別引入了各向同性和各向異性腐蝕技術(shù)。國(guó)家半導(dǎo)體公司于1974年將大批量生產(chǎn)的 壓力傳感器推向市場(chǎng)。1982年，“微機(jī)械”這一名詞應(yīng)運(yùn)而生。這時(shí)，體硅微機(jī)械加工技術(shù) 已成為制作微機(jī)械器件的有效手段。1985年，犧牲層技術(shù)被引入微機(jī)械加工，“表面”微機(jī) 械加工概念由此產(chǎn)生。1987年，U. C. Berkeley利用微機(jī)械加工技術(shù)制作出了世界上第一個(gè) 微靜電馬達(dá)，掀開(kāi)了微機(jī)械發(fā)展的新一頁(yè)。198

9、7-1988年間，一系列關(guān)于微機(jī)械和微動(dòng)力學(xué) 的學(xué)術(shù)會(huì)議召開(kāi)，MEMS 一詞在這些會(huì)議中被廣泛采納并漸漸成為一個(gè)世界性的學(xué)術(shù)用語(yǔ)。 1993年，ADI公司成功地將微型加速度計(jì)商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著 MEMS技術(shù)商品化的開(kāi)端。由于MEMS具有的劃時(shí)代的意義，世界各國(guó)都極為關(guān)注其發(fā)展，在人力和物力兩方面 均給予了強(qiáng)有力的支持。據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，MEMS研發(fā)活動(dòng)最積極的國(guó)家和地區(qū)依次為美 國(guó)、德國(guó)、日本、斯堪的納維亞地區(qū)、法國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、英國(guó)、瑞典和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)。2中國(guó)微機(jī)械的發(fā)展情況我國(guó)非常重視MEMS傳感器的研究和發(fā)展工作，而且起步較早。國(guó)家自然科學(xué)基金委 組織的立項(xiàng)起步于1

10、989年，中國(guó)科學(xué)院于1991年確立重點(diǎn)研究項(xiàng)目。1993年和1994年， 國(guó)家基金委、國(guó)家科委先后確定MEMS為重點(diǎn)項(xiàng)目和重大項(xiàng)目。自1993年底起，國(guó)防科工 委投入數(shù)千萬(wàn)元用于“九五”期間微型機(jī)械的研究工作，并且建立了兩個(gè)微加工基地（IC、 LIGA）和一個(gè)項(xiàng)目研究中心。此后，國(guó)家基金委又確立了若干微機(jī)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目， 國(guó)家科技部組織了集成微光機(jī)電系統(tǒng)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，S-863計(jì)劃也將MEMS主題列入 規(guī)劃。我國(guó)科學(xué)工作者積極從事微型機(jī)電系統(tǒng)研究，在微型驅(qū)動(dòng)器和微型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上取得 重要進(jìn)展。例如20世紀(jì)90年代初期，采用壓電陶器驅(qū)動(dòng)已研制出位移范圍為50納米的一 維驅(qū)動(dòng)器，以及

11、位移范圍為50伽*50例的二維聯(lián)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。在此基礎(chǔ)上研制成功三自由壓 電陶器驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人，其位移范圍為50伽*50伽*50例，精度達(dá)到0.1例。另?yè)?jù)報(bào)道， 我國(guó)還研制出電致伸縮陶器驅(qū)動(dòng)的二自由度微型機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)范圍10mm，位移分辨率 0.01例。此外，在微型電機(jī)，微型泵以及微傳感器等方面也取得可喜成果。3微機(jī)械的主要發(fā)展歷程19世紀(jì)：照相制版1822年，法國(guó)的涅普斯首先進(jìn)行了照相制版的實(shí)驗(yàn)。1839年，蘇格蘭的龐頓闡明了現(xiàn)代 照相制版方法。1850年，法國(guó)的吉洛發(fā)明了銅鋅版的照相制版法。1948年，美國(guó)發(fā)明了無(wú) 粉腐蝕法，照相制版開(kāi)始獲得廣泛使用。1951:布勞恩（Braun）管用影空

12、板（shadow mask）（美國(guó)RCA公司）（用于光制造工程）1954 :壓阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)所謂壓阻效應(yīng)，是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象。它是C.S史密斯在1954年對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)試中發(fā)現(xiàn) 的。壓阻效應(yīng)被用來(lái)制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器，把力學(xué)量轉(zhuǎn)換成電 信號(hào)。1962 :結(jié)晶各向異性腐蝕1963:半導(dǎo)體壓力計(jì)（日本豐田研究所）1967:振動(dòng)?xùn)艠O晶體管（美國(guó)Westinghouse公司）（利用犧牲層腐蝕方法）1968:陽(yáng)極鍵合（美國(guó)Mallory公司）1969:雜質(zhì)濃度依存性腐蝕 1970 :硅微小電極（美國(guó)斯坦福

13、大學(xué)）（硅細(xì)微構(gòu)造體）1973:導(dǎo)管用硅壓力傳感器（斯坦福大學(xué)）微型離子敏場(chǎng)效應(yīng)管（日本東北大學(xué)）1975 :集成化氣體色譜儀（斯坦福大學(xué)）（傳感器+執(zhí)行器）1979 :集成化壓力傳感器（美國(guó)密歇極大學(xué)）（傳感器+電路）1981 :水晶微機(jī)械（日本橫河電機(jī)）1982： LIGA工藝（原聯(lián)邦德國(guó)原子力研究所）（高深寬比細(xì)微加工技術(shù)）LIGA工藝是由德國(guó)卡爾斯魯厄核研究中心在1982年開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其發(fā)展非常迅速。 目前，德國(guó)、美國(guó)、日本以及我國(guó)都開(kāi)展了在該技術(shù)領(lǐng)域的研究。1986 :硅伺服型加速度傳感器（瑞士 CSEM）集成化微流量控制器（日本東北大學(xué)）1987:微型齒輪（美國(guó)加州大學(xué)Berkel

14、ey分校，貝爾研究所）1988:微靜電電機(jī)（美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校）4微機(jī)械引發(fā)的商業(yè)化浪潮MEMS第一輪商業(yè)化浪潮始于20世紀(jì)70年代末80年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu) 和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻 走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。后來(lái)的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用 于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代，主要圍繞著PC和信息技術(shù)的興起。TI公司根據(jù) 靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道。第三輪商業(yè)化可以說(shuō)出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過(guò)全光開(kāi)關(guān)及相關(guān)器件而成為

15、光纖 通訊的補(bǔ)充。盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來(lái)將是MEMS 一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的 領(lǐng)域。推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無(wú)源元件、在硅片上制作的音頻、生物 和神經(jīng)元探針，以及所謂的“片上實(shí)驗(yàn)室”生化藥品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和 移動(dòng)器件。近來(lái)對(duì)MEMS關(guān)注的提高部分來(lái)自于表面微加工技術(shù)，它把犧牲層（結(jié)構(gòu)制作時(shí) 使其它層分開(kāi)的材料）在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動(dòng)諧振結(jié)構(gòu)。5結(jié)論根據(jù)MEMS發(fā)展的現(xiàn)狀，人們對(duì)今后MEMS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了大量的預(yù)測(cè)，作為本文 的小結(jié)，將大多數(shù)專家認(rèn)為的MEMS技術(shù)在今后的主要發(fā)展趨勢(shì)綜合如下：研究方向多樣化。從歷次大型MEMS國(guó)際會(huì)議的

16、論文來(lái)看，MEMS技術(shù)的研究日益 多樣化。MEMS技術(shù)涉及的領(lǐng)域主要包括慣性器件(如加速度計(jì)與陀螺)、原子力顯微鏡、數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)、三維微型結(jié)構(gòu)的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學(xué)器件、各種 執(zhí)行器、微型機(jī)電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫(yī)用器件、實(shí)驗(yàn)表征器件、壓 力傳感器、麥克風(fēng)以及聲學(xué)器件等。內(nèi)容涉及軍事、民用等各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統(tǒng)的體硅加工工藝、表面犧牲層 工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結(jié)合的加工工藝、SCREAM工藝、LIGA加工工藝、厚 膠與電鍍相結(jié)合的金屬犧牲層工藝、MAMOS工藝、體硅工藝與表面犧牲層工藝相結(jié)合等， 而具

17、體的加工手段更是多種多樣。系統(tǒng)單片集成化。一般傳感器的輸出信號(hào)(電流或電壓)很弱，若將它連接到外部電路， 則寄生電容、電阻等的影響會(huì)徹底掩蓋有用的信號(hào)，因此采用靈敏元件外接處理電路的方法 已不可能得到質(zhì)量很高的傳感器，只有把兩者集成在一個(gè)芯片上，才能具有最好的性能。MEMS器件芯片制造與封裝統(tǒng)一考慮。MEMS器件與集成電路芯片的主要不同在于： MEMS器件芯片一般都有活動(dòng)部件，比較脆弱，在封裝前不利于運(yùn)輸。所以，MEMS器件 芯片制造與封裝應(yīng)統(tǒng)一考慮。封裝技術(shù)是MEMS的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，幾乎每次MEMS國(guó) 際會(huì)議都對(duì)封裝技術(shù)進(jìn)行專題討論。普通商用低性能MEMS器件與高性能特殊用途(如航空、航

18、天、軍事用)MEMS器件 并存。例如加速度計(jì)，既有大量的只要求精度為0.5g以上、可廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊等 的具有很高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的加速度計(jì)，也有要求精度為10 8g的、可應(yīng)用于航空航天等高科技 領(lǐng)域的加速度計(jì)。對(duì)于陀螺，也是有些情況要求其精度為0.1/小時(shí)，有的則只要求10000/ 小時(shí)。參考文獻(xiàn)溫詩(shī)鑄，黎明.機(jī)械發(fā)展戰(zhàn)略研究.2003李德勝，王東紅，孫金瑋，金鵬.MEMS技術(shù)及其應(yīng)用.2002王寧，李永亮，吳海淼.機(jī)械學(xué)研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì).苑偉政，馬炳和.微機(jī)械與細(xì)微加工技術(shù).2000謝黎明等.機(jī)械工程與技術(shù)創(chuàng)新.2005法國(guó)微技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃書.1992苑偉政.立體細(xì)微光刻技術(shù).1995董

19、海軍，苑偉政.微機(jī)械與微機(jī)器人材料.航空精密技術(shù).1996The Micro Electro - Mecba6ical System develops history(School of Mechanical Engineering ,Guangdong University Of technology，Guangdong 510006) Abstract : MEMS can be traced back as early as the 19th century. The 19th century, was born as a photo-offset technology of optic

20、al manufacturing technology. The 20th century, 60s, the United States have developed a different direction of the crystallization of corrosion, impurity concentration dependence of corrosion, anodic bonding, such as the basic micro-processing technology. Into the 70s, the United States scholars have put forth a silicon-based semiconductor materials, the idea of m