MEMS技术及其应用，李德胜编，哈尔滨工业大学出版社
目 求 第七章微杋电系统… ∴………(2I0) 7.1微机电系统的特氐 2|1 7.2微机电系统实现所面临的课题 (212) 7.3徵机电系统介绍… (213) 第八章生物芯片 4■Tb■4h▲ (24) 8.1生物芯片概述 (244) 8.2生物芯片中常用的儿种检测原理 ………(252) 8.3生物芯片加工技术 ■『d『■甲!4甲甲平4 ………(271) 84生物芯片 ·(282) 8.5本章小结 嚼■■■■■d■■『d ……(297) 参考文献 …………(298) 第一章绪论 MEMS是 Micro Electro Mechanical Systems的缩写,可译为微电 子机槭系统。微机槭的发展史如表1.I所示,它最早可追溯到19 世纪。在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 基于砝半导体材料的微机械的设想,那时已有人用硅平面加工技 术制造微梁和压力传感器。阳年代到80年代硅传感器随着半导 体加工技术的进步也有很大发展,利用微加工技术( Micromachin ing)制造出多种微小尺寸的机械零部件。1988年美国加州大学伯 克利分校Mler研究小组发表了转子直径为60-1pm的硅静 电马达,它的报道在当时引起了很大的轰动。同期,M, Berkely Stanford等大学和AT8T及NsF的15名科学家向美国政府提出了 小机器、大机调、关于新兴领域…一微动力学(徽系统)”的建议 书,NSF又于1989年召于了研讨会,其咔有报告提出了“微电子技 术应用于电杋系统”。自此MEMS一词就渐渐成为一个世界忙竹 学术用语,MFMS技术的研究开发也日益成为因际上的一个热点。 股地说,MEⅥS具有以下几个非约束性的特征: (1)尺寸在毫米到微米范围内,区别于一般宏(Macm),即传统 的尺寸大于1m尺度的“机诫”,但并非进人物理上的微观层次; (2)基于(但不限于)硅微加工( Silicon microfabrication)技术制 造; (3)与微电子芯片类同,在无尘室大批量、低成本生产,使性能 价格比比传统“机硪”制造技术大嗝度提高; (4)MEMs中的“机械”不限于狭义的力学中的机槭,它代表一 MFMS技术及其应用 切興有能量转化、传输等功能的效应,包括力、热、光、磁,乃至化 学生物等效应; (5)MEMs的目标是“微机械”与L结合的微系统,并向智能 化方向发展。 用以上特征来衡量,用微电子技术(不限于)制造的微小机构、 器件部件和系统等都属于MEMS范围微机槭和微系统只说明 MEMS发展的不同层次,而有关的科学技术都可统称为MEMS技 术。 当前,信息技术已走上多媒体、网络化和智能化的道路,微电 子信息处理已向系统级芯片集成发展。无论从微型化或性能价格 比发展肴,信息获取(传感)技术和信息执行技术,郎所谓“外部设 备”技术都己成为发展的瓶颈,们与“主机”的接口( interface)也 成为阻碍处理速度的关键。MMS技术的目标是把信息获取处 理和执行一体化地集成在一起,使之成为萁正的信息处理系统,因 此它对信崽技术的革命意义是不音而喻的。对于传统的“机械学” 米说,MEMs技术不仅为之打开了“微尺寸”新领域大门,也是真正 实现机电一体化的开始。所以,MEMs被认为是微电子技术的又 一次革命,对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会 有深沄的影晌。 I.1MEMs的定义 MEMS即微机电系统目前尚无统一的定义,但一般认为它是 以微电子、微机槭及材料科学为基础研究、设计、制造具有特定功 能的微型装置,包括微绪构器件黴传感器、微执行器和微系统等. 有时根据不同场合或习惯,微机电系统也称微机械、微构造或微电 子机誡系统。一般来说,徵机械多指构造较简单能动作的微构造, 它是构放微机电系统的要素技术,而微机电系统指由徴机械和控 制电路组成的徽系统它是微杌械的高级形式和发展方向。 叶↓ar:r冷},L BhFP 第一章绪论 在欧美,微电系统通常称为MEMs,顾名思义,MFMS是由微 机櫬和电子线路组成射微系统。在日本,它通常称之为Mic machine(亻夕口汐∽)或 Microsystem(微系统)。它们都以微小 〔Micr)为特征,有的强调机槭,有的强调系统,但当前人们常不加 区地统称为MEMS。日本国家MEMS中心[h中://w. eI]net or.jp/MC/给 Micromachine下的定义是: A micromachine is an ex- trermely small machine comprising very snall( several millimeters or less) yet highly sophisticated functional elements that allow it to perform minute and complicated tasks 表1.1微机械发展史 19世纪照相制版 1951华布劳恩(Bra)影空板( shadow mask)(美,BCA公可), [用于光制造工程] 1954年压阻效应的发现 1962年结晶各向异性腐蚀 963年半导体压力计(本丰研究所) 1967年振动姗极晶体管(美, Westinghouse公司 [利用铟牲层腐蚀方法] 1968年阳极键合(美,Mllr公司) 969年杂质浓度依存性腐蚀 1970年硅微小电极(美,斯坦福大学》,{硅细微构造体 1973年导管用硅压力传感器(斯坦福大学) 微型离子场效应管(日本,东北大学) 1975年集成化气体色谱仪(斯坦福大学),[传感器+执行器 979年集成化压力传感器(美,密歇根大学),[传感器+电路] 1981年水晶微机械(日本,横河电机 1986年LA工艺(原西德原子力研究所),[高深宽比细微圳工技术] 1986华硅伺腋型加速度传感器(瑞士,CSEM) 集成化微流量控制(F本东北大学),[闭坏控制的集成化] 1987年微型齿轮等(美,加州大学怕克利分校,贝尔研究所) l988年黴静电电机(伯克利 4 MEMs技术及其应用 2国内外研究概况及展望 MEMs的特点和优点是体积小、重量轻性能稳定,通过IC等 工艺可批量生产,成本低性能一致性好,功耗低,谐振频率高,响 应时间短,综合集成度高,附加值高,具有多种能量转化、传输等功 能,包括力、热声、磁及化学、生物能等。 鉴于上述特性和优点,MENs自20世纪80年代中期发展至今 直受到世界各发达国家的广泛重视,被认为是一项面向21世纪 可以广泛应用的新兴技术。许多有影响的大专院校研究机关纷 纷没巨资建立实验室,投人到MEMS的研究开发中。以日本为例, 1991年成立了国家MEMS开发中心,从1991年到2000年政府投 入了250亿日元开展这方面的研究,其最终目标是确立MEMs技 术体系。该计划的前期研究从1991年到199年,投入了100亿日 元着重进行要素技术的研究。后期实施的研究有三大课题,一是 发电设施用高性能维护技术的开发,着重研究导管内检查用微型 柷器人;二是微型工厂的技术开发,即研制微机械的工作母机和装 配线;三是人体内诊断治疗设备的技术开发。由于高强度的资金 支持,日本在一些MEM研究方面处于国际领先地位。如奥林帕 斯公司研制的直径仅1mm,长度数厘米的柔型机器人,它将形状 记忆合金SMA( Shape Memory Alloy)传感器及控制电路全部集成 到机器人体内,其末端能吊起1g的重块并自由运动。三菱重工 研制的直径1.2mm的电磁型发电机,10万r/min的转速时输出空 载电压约18伏 美国是开展MFMS研究最草的国家,在美、日、欧三雄中其 MEA研究处于领先地位。德国人因发明了LGA( ethnographic Galvanofomung, Abfarmung德语)技,而闻名于世 国内开展MEM研究比较早的单位有上海冶金所。近年来 化京大学滑华大学复旦大学、哈尔滨工业太学、上海交大、西安 厂·■■■·,"·画 笫一袁绪论 5 交大、河北工业斫究院、航天工业总公司等许多单位都在开展这方 面的工作。目前,MEMs技术已作为我国“十”规划屮863和973 计划的专题项目,受到了我国政府的高度重视 经过十多年的发展,概括来说MEMs技术已由初期的平面加 工向以LGA技术为代表的三维加工拓展,已由各种要素技术向 系统集成发展,已由基础探索向实用化方向迈进。目前MEMS已 从实验室探索走向产业化轨道,据美囝MCNC(北卡罗菜纳微电于 中)MEMS技术应用中心预测,当前MEMS业界的年增长率是 10%~2%,200年有高于80亿美元的MEMS市场。而其屮的大 量产品主要包括汽车加速度计,压力、化学、流量传感器等以及微 光谱仪、一次性血压计等微型仪器( rutcitirslnrHll)产品。 1.2.1微型仪器 关于微型仪器,目前在文献及互联网检索中尚未见到有关对 其概念的确切的定义和描述。一般可以认为,徵型仪器实际上就 是具有仪器化功能的MEMS产品,是MEMS技术的实际应用,它 其有一般仪器具有的监测、测量、分析、诊断、控制和执行等功能, 是一种新型的智能结构。其基本结构模式为微传感器+信号和数 据处理电路(含控制软件)+外显示器或信号输出或微执行器等。 随着微电于技术的发展,有些徵型仪器的基本结构已经集成在芯 片上,所以国外也开始将微型仪器称为芯片上的仪器( instrument ip Ek chip-sized microinstrument) 从技术积工艺上来说,微型仪器技术涵盖了微小尺度的传感 器和执行器的设计、材料合成、微型枧械加工、装配、总成和封装及 微专用集成电路等一系列傲型工程技术,它是MEMS技术与微电 子技术综合集成的产物。 12..I微光谱仪 德国 karlsruhe研究中心的微结构技术研究所和公司合作,每 年生产数千台微光谱分析仪,利用MGA工艺制作,在40-1100 MEMS技术及其应用 m范围内的分辨率为7m,用于传输反射和荧光测量;于微分 析系统的微型泵尺寸为?mm×10m,用模铸和薄膜技术,热致动 线图厚250m,功率为100mW 1.2.I.2MMs显示器 美国的 Texas nstruments公司从20世纪80年代初就着手研究 用于投影显示装置的数字驱动微镜阵列芯片( digital micromirror de vice,DMD),已成功地演示了利用768×576像素的DMD芯片的彩 色电视投影仪,并研制出2048×1152像素的DMD芯片样机。所 研制的DMD芯片利用硅表面黴加工工艺制作,一个微镜的尺寸仅 16cm×16pm。徼镜通过支撑柱和扭曲梁悬于基片上,每个微镜 下面都有驱动电极,在下电极与微镜间加一定的电压,静电引力便 微镜倾斜,人射光线被反射到镜头上,投影到屏幕上,未加电压然 微镜处的光线反射到镜头外,高速驱动微铙使每点产生明喑,投影 出图像。 12.13微型化学传感器及微型粘度计 伯克利微仪器公司(BMD设计并推向市场的成熟的微型仪器 产品,包活测量空气中化学浓度的化学气体传感器BMC200及测 量流体密度和粘度的微型粘度计BMv0。 BMC200和BMV105均采用了一个独特的获得专利的称为 Frw( Crural【-pate-wave)的硅微机械传感器技术。包括一个微 硅的MFMS芯片(3.5mmx76mm),芯片上有一个约0.5m宽、6 h 长、3ψm厚的微机械薄膜,该薄膜由氮化硅层、金属层与压电 氧化锌层构成。薄膜上集成了两个用来发射和接收超声波的交互 数字式传感器。通过测量薄膜之间传递的声波的波速和振幅,微 型粘度计BMⅥ105则可确定液体的粘度和密度。对化学浓度传感 器BMC200来说,当传感器放在化学气体中时,一些化学成分被聚 合薄膜吸收,增加了薄膜的体积,降低了波速,从而测出化学浓度。 与传统的类似的仪器相比,这些微型仪器的优势是无可争议 的,即体积更小、重量更轻、效率更高、价格更低,可以供高精度 5L·.}.:真驴 M:阳,L■山叶 第一章绪论 的实时测量信息,这些信恩可以用来有效地进行过程控制、调整 报警或为其他身动测和控制设备提供前馈或反馈,微型仪器既 可以单独作为作单元实现独立的功能,又哥以作为在线的过程 控制单元。 通过对微型仪器的性能、特点和应用情况进行分析,可得到以 下几点认识 (1)微型仪器是MEMS技术的实际应用,是MEMs技术与微电 子技术综合集成的成果之…,它具有一般MEMS器件或MEMS系 统特有的优点和性能更为主要的是大大提髙了仪器的功能密度 和性能价格比。 (2)微型仪器技术中的核心技术之一是微型传感器技术,采用 各种新原理新概念的各类微型传感器,是实现微型仪器的关键 也是实玑仪器小型化、徴型化的必要条件。此外,由于有的徽型仪 器上既有固定的部件又有活动的部件,而且采用诸如生物或化学 活化剂之类的特殊材料,因此还需要认真重视徽装配、微封装、微 能源等问题。 (3)从广义上看,微型仪器还是一种新型的智能结构。目前, 国际上对智能结构的研究尚处在基础研究和实验阶段,今后的研 究方向将包括:①研制低能耗大应变量、高稳定和长寿命的微操 作器材料;②研制耐高温低成本、易与基体材料融合的光传感器 ③研制可植入基体材料中的高性能微电子器件;④新的结构挖制 技术;⑤开发智能结构的设计、制造技术等等。 (4)微型仪器具有广阔的市场应用前景,并且新产品层出不 穷,我们应密切跟踪国外发展动态,在研究和开发上采取联合攻 关成果共享的方式,加快研制进度,在21世纪MEM产业化的道 路上迈出我们坚实的步伐。 122MEM在医疗和生物技术领域的应用 生物细胞的典型尺寸为1~10pm,生物大分子的厚度为纳米