1、微機械發展史摘要：微機械最早可追溯到19世紀。19世紀，作為照相制版技術誕生了光制造技術。20世紀60年代，美國相繼開發出了結晶異方向腐蝕、雜質濃度依存性腐蝕、陽極鍵合等基本微加工技術。進入70年代，美國學者提出了基于硅半導體材料的微機械的設想。70年代到80年代硅傳感器隨著半導體加工技術進步也有很大發展，利用微加工技術（micromachining）制造出多種微小尺寸的機械零部件。1988年，美國加州大學berkeley分校muller研究小組發表了轉子直徑為60100的硅靜電馬達，它的報道在當時引起了很大的轟動。自此，mems一詞漸漸成為一個世界性的學術用語，mems技術的研究開發也日益成

2、為國際上的一個熱點。關鍵詞：微機械 mems技術 發展歷程 發展趨勢 商業浪潮0 前言微電子機械系統 ( micro electro - mecba6ical system, mems ) ，簡稱微機械，是以微電子技術和微加工技術為基礎的一項新技術。早在六十年代，隨著微電子技術的產生和發展，一些富有創見的科學家便開始探索用硅微加工的方法制作傳感器、執行器和控制器，并設想將它們集成在一個微小的幾何空間內，從而形成高度自動化、智能化，可以大批生產，價格低廉的微電子機械系統。但在這個階段，尚不具備成熟的用于制作微機械結構和器件的加工技術。微機械僅僅是一種概念或設計思想。八十年代，大規模集成電路技術己

3、經成熟， 人們用i c工藝成功地制作出了微機械壓力傳感器以及微鉸鏈、微連桿、微齒輪等等一系列微機械零部件。微機械是在八十年代后期崛起的一門新興的前沿學科。1 國際上微機械的發展情況早在1941年就出現了半導體傳感器光敏電阻，但直到70年代集成電路出現以后它才得到發展。晶體管和集成電路的發明一方面促進了電子電路和結構型傳感器的結合，另一方面使人們能夠利用固態物性來制作傳感器，從而導致了物性型傳感器的出現，其中半導體傳感器是最重要的一種。因為半導體材料(特別是硅)對力，熱,磁等多種信號有敏感特性，而且可以利用開發集成電路的先進工藝技術，目前半導體傳感器有立敏，光敏，磁敏，氣敏，離子敏，生物敏等多種

4、類型的產品。由于可以采用平面工藝，半導體傳感器還具有微型化的潛力。經過不斷地努力，人們研制出了多種微型傳感器，部分還集成了簡單的信號處理電路，同時也為微機械加工(micro machining)技術的出現奠定了基礎。隨著微機械加工技術的內容不斷擴充，水平不斷提高，微機械加工技術成為力敏傳感器的關鍵技術，并擴展了應用范圍。微機械加工技術的迅速發展導致了微執行器的誕生。人們在實踐中認識到，硅材料不僅有優異的電學和光學性質。微機械加工技術的出現，使得制作硅微機械部件成為可能。在80年代初，一些有遠見的科學家提出了微機械執行器的概念。1987年，加州大學伯克利分校的范龍生等人用表面微機械加工的方法制成

5、了多晶硅齒輪，引起了國際學術界的震動。隨后，汽車用微機械多路絕壓傳感器投入批量生產，從而表明mems技術作為一個重要的交叉學科出現了。1 9 8 8 年，美國加洲大學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。這一成果使世界為之轟動，它標志著微機械技術己經發展成了一門獨立的新興學科。人類在認識與改造微觀世界方面的能力也進入了一個新的階段目前， 作為二十一世紀的高新技術和潛在的龐大高新技術產業，微機械己引起世界各國的普遍關注，國內外眾多的大學、科研和產業部門都正在進行廣泛深入的研究。微型機械不是傳統機械單純地在尺度上微小型化，當特征尺寸達到微米級后，微型機械的力學系統特

6、征、材料的物理性質及其對環境變化的響應與傳統機械都有很大不同，它通常是指可以成批制作的集合微機構、微驅動器、微能源以及微傳感器和控制電路、信號處理裝置等于一體的微型機電系統，因而它遠遠超出了傳統機械的概念和范疇。微機械學就是在研究微尺度力學特性和微構件機械特性的基礎上進行微型機械的分析與設計，開發出與傳統機械的結構、材料、功能和原理不同的機械裝置。微型機械具有廣闊的應用前景，它的出現無疑將深刻影響國民經濟和國防工業各個部門的未來發展。微機械是一種獨立的微小型化的機電系統，主要由微驅動器，微傳感器，微執行器、微控制器以及能源等幾種要素組成。以微電機為代表的微驅動器一直是微機械系統的關鍵技術和研究

7、熱點之一， 微電機的技術水平在一定程度上反應了一個國家微機械發展的側面。電磁微電機具有一些其他類電機無法比擬的優點，是目前最有前途的微驅動器之一。十幾年來，人們己經設計制作出了多種形式和結構的電磁微電機，但是有關電磁微電機的設計理論和實驗研究仍然處于探索完善階段目前，微機械的結構尺寸尚無統一的標準。按照一種習慣劃分，結構尺寸在 1 毫米1 0 毫米的，稱為微小機械 ( minimechanism) ； 1微米1毫米的稱為微型機械 ( submicromechansm ) ， 統稱為“ 微機械” 。0.1納米0.1微米的，稱為納米機械。自1947年schockley、bardeen和bratta

8、in發明晶體管以來，微電子技術有了突飛猛進的發展。1953年，charles s. smith研究了半導體的壓阻效應。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。國家半導體公司于1974年將大批量生產的壓力傳感器推向市場。1982年，“微機械”這一名詞應運而生。這時，體硅微機械加工技術已成為制作微機械器件的有效手段。1985年，犧牲層技術被引入微機械加工，“表面”微機械加工概念由此產生。1987年，u. c. berkeley利用微機械加工技術制作出了世界上第一個微靜電馬達，掀開了微機械發展的新一頁。1987-1988

9、年間，一系列關于微機械和微動力學的學術會議召開，mems一詞在這些會議中被廣泛采納并漸漸成為一個世界性的學術用語。1993年，adi公司成功地將微型加速度計商品化，并大批量應用于汽車防撞氣囊，標志著mems技術商品化的開端。由于 mems 具有的劃時代的意義，世界各國都極為關注其發展，在人力和物力兩方面均給予了強有力的支持。據有關機構統計，mems研發活動最積極的國家和地區依次為美國、德國、日本、斯堪的納維亞地區、法國、中國、韓國、英國、瑞典和中國臺灣地區。2 中國微機械的發展情況我國非常重視mems傳感器的研究和發展工作，而且起步較早。國家自然科學基金委組織的立項起步于1

10、989年，中國科學院于1991年確立重點研究項目。1993年和1994年，國家基金委、國家科委先后確定mems為重點項目和重大項目。自1993年底起，國防科工委投入數千萬元用于“九五”期間微型機械的研究工作，并且建立了兩個微加工基地（ic、liga）和一個項目研究中心。此后，國家基金委又確立了若干微機電系統的基礎研究項目，國家科技部組織了集成微光機電系統重大基礎研究項目，s-863計劃也將mems主題列入規劃。我國科學工作者積極從事微型機電系統研究，在微型驅動器和微型機器人的開發上取得重要進展。例如20世紀90年代初期，采用壓電陶器驅動已研制出位移范圍為50納米的一維驅動器，以及位移范圍為50

11、*50的二維聯動驅動器。在此基礎上研制成功三自由壓電陶器驅動的微型機器人，其位移范圍為50*50*50，精度達到0.1。另據報道，我國還研制出電致伸縮陶器驅動的二自由度微型機器人，其運動范圍10mm，位移分辨率0.01。此外，在微型電機，微型泵以及微傳感器等方面也取得可喜成果。3 微機械的主要發展歷程19世紀：照相制版1822年,法國的涅普斯首先進行了照相制版的實驗。1839年，蘇格蘭的龐頓闡明了現代照相制版方法。1850年，法國的吉洛發明了銅鋅版的照相制版法。1948年，美國發明了無粉腐蝕法，照相制版開始獲得廣泛使用。1951：布勞恩（braun）管用影空板（shadow mask）（美國r

12、ca公司）（用于光制造工程）1954：壓阻效應的發現所謂壓阻效應，是指當半導體受到應力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其電阻率發生變化的現象。它是c.s史密斯在1954年對硅和鍺的電阻率與應力變化特性測試中發現的。壓阻效應被用來制成各種壓力、應力、應變、速度、加速度傳感器，把力學量轉換成電信號。1962：結晶各向異性腐蝕1963：半導體壓力計（日本豐田研究所）1967：振動柵極晶體管（美國westinghouse公司）（利用犧牲層腐蝕方法）1968：陽極鍵合（美國mallory公司）1969：雜質濃度依存性腐蝕1970：硅微小電極（美國斯坦福大學）（硅細微構造體）1973：導管用硅壓力傳感器

13、（斯坦福大學） 微型離子敏場效應管（日本東北大學）1975：集成化氣體色譜儀（斯坦福大學）（傳感器+執行器）1979：集成化壓力傳感器（美國密歇極大學）（傳感器+電路）1981：水晶微機械（日本橫河電機）1982：liga工藝（原聯邦德國原子力研究所）（高深寬比細微加工技術）liga工藝是由德國卡爾斯魯厄核研究中心在1982年開發出來的，其發展非常迅速。目前，德國、美國、日本以及我國都開展了在該技術領域的研究。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）1987：微型齒輪（美國加州大學berkeley分校，貝爾研究所）1988：微靜電電機（美國加州大學be

14、rkeley分校）4 微機械引發的商業化浪潮mems第一輪商業化浪潮始于20世紀70年代末80年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器。由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉換成電信號。后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發汽車安全氣囊和定位陀螺儀。第二輪商業化出現于20世紀90年代，主要圍繞著pc和信息技術的興起。ti公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現在仍然大行其道。第三輪商業化可以說出現于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充。盡管該市場現在蕭條，但微光學器件從長期看來將是me

15、ms一個增長強勁的領域。推動第四輪商業化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的“片上實驗室”生化藥品開發系統和微型藥品輸送系統的靜態和移動器件。近來對mems關注的提高部分來自于表面微加工技術，它把犧牲層(結構制作時使其它層分開的材料)在最后一步溶解，生成懸浮式薄移動諧振結構。5 結論根據mems發展的現狀，人們對今后mems技術的發展進行了大量的預測，作為本文的小結，將大多數專家認為的mems技術在今后的主要發展趨勢綜合如下：(1)研究方向多樣化。從歷次大型mems國際會議的論文來看，mems技術的研究日益多樣化。mems技術涉及的領域主要包括慣

16、性器件(如加速度計與陀螺)、原子力顯微鏡、數據存儲、三維微型結構的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學器件、各種執行器、微型機電器件性能模擬、各種制造工藝、封裝鍵合、醫用器件、實驗表征器件、壓力傳感器、麥克風以及聲學器件等。內容涉及軍事、民用等各個應用領域。(2)加工工藝多樣化。正在使用和研究的加工工藝有傳統的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結合的加工工藝、scream工藝、liga加工工藝、厚膠與電鍍相結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合等，而具體的加工手段更是多種多樣。(3)系統單片集成化。一般傳感器的輸出信號(電流或電壓

17、)很弱，若將它連接到外部電路，則寄生電容、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號，因此采用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質量很高的傳感器，只有把兩者集成在一個芯片上，才能具有最好的性能。(4)mems器件芯片制造與封裝統一考慮。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部件，比較脆弱，在封裝前不利于運輸。所以，mems器件芯片制造與封裝應統一考慮。封裝技術是mems的一個重要研究領域，幾乎每次mems國際會議都對封裝技術進行專題討論。(5)普通商用低性能mems器件與高性能特殊用途(如航空、航天、軍事用)mems器件并存。例如加速度計，既有大量的只要求精度為0.5

18、g以上、可廣泛應用于汽車安全氣囊等的具有很高經濟價值的加速度計，也有要求精度為108g的、可應用于航空航天等高科技領域的加速度計。對于陀螺，也是有些情況要求其精度為0.1°/小時，有的則只要求10000°/小時。參 考 文 獻溫詩鑄，黎明.機械發展戰略研究.2003 李德勝，王東紅，孫金瑋，金鵬.mems技術及其應用.2002王寧，李永亮，吳海淼.機械學研究進展與發展趨勢. 苑偉政，馬炳和.微機械與細微加工技術.2000 謝黎明等.機械工程與技術創新.2005 法國微技術研究發展計劃書.1992苑偉政.立體細微光刻技術.1995董海軍，苑偉政.微機械與微機器人材料.航空精密

19、技術.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 optical manufacturing techno

20、logy. the 20th century, 60's, 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 70's, the united states scholars have put forth a silicon-based semiconductor materials, the idea of micro-machi