微機電系統

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微機電系統英語Microelectromechanical Systems,縮寫為MEMS)是將微電子技術機械工程融合到一起的一種工業技術,它的操作範圍在微米範圍內。比它更小的,在納米範圍的類似的技術被稱為奈機電系統。微機電系統在日本被稱作微機械(英語micromachines),在歐洲被稱作微系統(英語microsystems)。

微機電系統與分子納米技術分子電子學的超前概念不同。微機電系統由尺寸為1至100微米(0.001至0.1毫米)的部件組成,而且微機電設備的尺寸通常在20微米到一毫米之間。它們內部通常包含一個微處理器和若干獲取外界信息的微型傳感器。[1]在這種尺寸範圍下,經典物理基本定律通常不適用。而且由於微機電系統相當大的表面積/體積比,諸如靜電浸潤等表面效應要比慣性和比熱等體效應大很多。

微機電系統的加工技術由半導體加工技術改造而來,使其可以應用到實際當中,而後者一般用來製造電子設備。其加工方式包含了molding and plating,濕法刻蝕 (氫氧化鉀四甲基氫氧化銨)和干法刻蝕 (RIE 和 DRIE),電火花加工 (EDM),和其他一些能夠製造小型設備的加工方式。

歷史[編輯]

微型機械的概念在相應的加工技術出現之前就被提出了。1959年,理查德·費曼加州理工學院進行題為《底層還有大空間》(英語There's Plenty of Room at the Bottom)的演講。費曼在演講中提出了在原子尺度上操縱物質的可能性以及將面臨的挑戰。 1964年,西屋公司的一支團隊製造出了第一批微機電設備。[2][3]這種設備名叫諧振柵極電晶體英語resonant gate transistor),

簡介[編輯]

微機電系統是微米大小的機械系統,其中也包括不同形狀的三維平板印刷產生的系統。這些系統的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小範圍中日常的物理經驗往往不適用。比如由於微機電系統的面積對體積比比一般日常生活中的機械系統要大得多,其表面現象如靜電潤濕等比體積現象如慣性熱容量等要重要。它們一般是由類似於生產半導體的技術如表面微加工體型微加工等技術製造的。其中包括更改的加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、干蝕刻、電火花加工等等。

生產微機電系統的公司的大小各不相同。大的公司主要集中於為汽車、生物醫學或電子工業生產大批量的便宜的系統。成功的小公司則集中於生產創新的技術。所有這些公司都致力於研究開發。隨着傳感器的發展微機電系統的複雜性和效率不斷提高。

常見的應用有:

設計微機電系統最重要的工具是有限元分析

技術[編輯]

微機電系統有多種原材料和製造技術,選擇條件是系統的應用、市場等等。

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硅是用來製造集成電路的主要原材料。由於在電子工業中已經有許多實用硅製造極小的結構的經驗,硅也是微機電系統非常常用的原材料。硅的物質特性也有一定的優點。單晶體的硅遵守胡克定律,幾乎沒有彈性滯後的現象,因此幾乎不耗能,其運動特性非常可靠。此外硅不易折斷,因此非常可靠,其使用周期可以達到上兆次。一般微機電系統的生產方式是在基質上堆積物質層,然後使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結構。

表面微加工[編輯]

表面微加工是在硅晶片上沉積多晶硅然後進行加工。

深層刻蝕[編輯]

深層刻蝕如深層反應離子刻蝕技術向硅晶片內部刻蝕。刻蝕到晶片內部的一個犧牲層。這個犧牲層在刻蝕完成後被腐蝕掉,這樣本來埋在晶片內部的結構就可以自由運動了。

體型微加工[編輯]

體型微加工與深層刻蝕類似,是另一種去除硅的方法。一般體型微加工使用鹼性溶液如氫氧化鉀來腐蝕平板印刷後留下來的硅。這些鹼溶液腐蝕時的相對各向異性非常強,沿一定的晶體方向的腐蝕速度比其它的高1000倍。這樣的過程往往用來腐蝕v狀的溝。假如選擇的原材料的晶向足夠精確的話這樣的溝的邊可以非常平。

高分子材料[編輯]

雖然電子工業對硅加工的經驗是非常豐富和寶貴的,並提供了很大的經濟性,但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜,而且其性能各種各樣。使用注射成形壓花立體光固化成形等技術也可以使用高分子材料製造微機電系統,這樣的系統尤其有利於微液體應用,比如可攜測血裝置等。

金屬[編輯]

金屬也可以用來製造微機電系統。雖然比起硅來金屬缺乏其良好的機械特性,但是在金屬的適用範圍內它非常可靠。

研究和開發[編輯]

MEMS研究人員使用一系列的工程軟件工具來對他們的設計進行仿真和原型測試。MEMS設計中經常用到有限元分析。對動態力,熱度等等的仿真可以通過ANSYSCOMSOLIntelliSuiteCoventorWare-ANALYZER等軟件來實現。其他軟件,比如ConvertorWare-ARCHITECT和MEMS-PRO,被用來開發更適合加工製造的產品布局,甚至用來仿真嵌入型的MEMS系統。當原型機開發完成後,研究人員能夠用各種儀器比如激光多普勒掃描振動計,顯微鏡,頻閃觀測儀等來對它們進行測試。

參考文獻[編輯]

  1. ^ Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE John Wiley & Sons. 2008. 205. ISBN 1-84821-009-4. 
  2. ^ Electromechanical monolithic resonator,US patent 3614677, Filed April 29, 1966; Issued October 1971
  3. ^ Wilfinger, R.J.; Bardell, P.H.; Chhabra, D.S. The resonistor a frequency selective device utilizing the mechanical resonance of a substrate (PDF). IBM J. 1968, 12: 113–8.