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    【摘  要】论述微细机械的研究发展概况、微加工技术及超微电动机的****研制状况，并对微细机械的应用前景进行了展望，指出微细机械将成为跨世纪的高新技术领域里的一个重要分支和高附加值的新兴产业。

    【叙  词】微细机械加工研究应用展望

    微细机械(micro mechanical)是近年来世界上刚刚崛起，并开始走向实用阶段的超小型机械。与以往的电子机械相比，它的****差别在于以往的电子机械是单纯利用电子学理论和机械理论，将制作出的电子零件和机械零件，如机械结构、电动机、微型计算机等多种零部件搭配在一起组合运用。而微细机械是在同一块硅底板上，使用半导体微细加工技术(micro fabrication)和微电子技术(microelectronics)，制造出机电一体化(mechatron-ics)的产品，把机电两者制成了不可分割的统一整体，实现了在微机领域内机和电的真正结合a 3。如目前已经能够制造出的微型流量控制器、微机械泵、超微静电电动机等。这些微型机械在生物医学、航天技术、军事工程等领域具有广泛的应用前景。

    微细机械的研究始于70年代。1975年，美国加利福尼亚大学和贝尔实验室等单位在硅片上蚀刻出色谱仪、微型继电器等。1979年，Lynn Michell Roylamce, James B.Angell等人首次在IEEE刊上报道了新研制的硅加速度计。1982年，Pan-Iing Chen等人采用硅平面工艺和异向腐蚀技术，研制出集成微型硅梁PI-FET（压电场效应管）加速度计姐1。1983年，加利福尼亚大学巴库勒依学院的Roger Howe研究成功了所谓牺牲层(sacrifi-cial layer)技术，采用该技术不仅能在硅片上较容易地制出微型构件，而且也能把它们主体直接装配在基片上而构成一个系统，这是促进微细机械迅速发展的重要因素∞3。1 987年6月，在第四届国际固体传感器传动装置会议上，日本报道了利用这种方法制成了转轴能够自由旋转的齿轮和在导轨作用下能够左右运动的滑块。在同年11月第一次微型电子机械系统国际研究会(Micro Electro Me-chanical Systems，简写MEMS)上，来自美国、日本及欧洲的专家，提出用硅或其它材料制造微型电动机的各种方案。日本东京大学藤田博之筹人，还在会议上展出了第一台超微静电电动机，成为微细机械发展的新开端。之后，世界上许多发达国家都重视微细机械的研究开发工作。据《International HeraldTribune》1988年7月18日报道，美国加利福尼亚大学的研究人员制成了一台厚度只有1～15lmm、直径100/im的细如头发丝的超微电动机，整个电机设计在一块集成电路芯片上。它具有4、8、12个转子极和6、12、24个定子极，用静电力驱动，制造电机的材料是磷酸硅。美国电话电报公司采用硅片生产技术，研制出涡轮机和直径为125Vm的齿轮，齿轮上每个齿仅有宽，比一根头发丝的1/5还细。在德国，科研人员正在用X射线印刷技术制造出精确度极高的过滤器等显微结构。

    此外，在微细机械的研制方面，科学家们还应用类似微电子工业的技术缩小机器各部件的尺寸；利用在硅片上腐蚀图形的方法制造齿轮、电动机及其它部件，仅在0. 092 903 0m2就可以安装6万个这种微型电动机。目前，在这一研究领域内，美国居****地位，其国内有数十处先进的硅程序研制设施，可以制造出血细胞大小的齿轮，能够吸入肺部的弹簧曲柄和夹具以及高精度微细喷嘴等机械零件。日本在这方面也不断地向微细机械的研究领域进军。日本从1991年开始执行总投资为150亿日元的10年国家计划，用以支持微型机械和微型传感器的发明。欧洲在第一代微细机械发展中较快，具有相当多的数量，但对半导体机电传动系统的研究步伐稍有迟缓，目前正在制定MEMS援助计划，重点是微型信息系统方面，如传感器、驱动装置等。总之，微细机械的研究开发已引起世界各发达国家的普遍关注。美国国家科学基金会有关专家预测，微细机械无疑将成为新崛起的大舰模工业，甚至可能又一次形成工业革命浪潮。

    据文献6、7介绍，目前，通过微细机械加工技术获得的器件三维结构主要有三种方法：一是在硅表面沉积SiOp、PSG膜、多晶硅和无定型硅那样的薄膜，通过光刻的牺牲层腐蚀得到可移动、可旋转的微小机械结构；二是异向腐蚀，通过对硅单晶的异向腐蚀，可得到在压力传感器中的悬臂梁和微型流量控制器中的气路等机械结构；三是键合，Si-Class键合和Si-Si键合技术在传感器和执行器制造方面已成功地得到应用。

    在利用这种方法制造微细机械结构过程中，微细机械部分一般采用多晶硅和无定型硅，PSG膜和Si02作为牺牲层。图1是微型阀的工艺流程：(a)热氧化生成800nmSi02层。(b)CVD沉积一层500nmPSG膜作为牺牲层。(c)CVD沉积4tim厚多晶硅。(d)2次沉积2p-m厚多晶硅。(e)正反面沉积Si3N4作KOH腐蚀保护层。(f)KOH腐蚀硅形成气孔。最后去掉牺牲层PSG膜和Si09，形成微型阀。目前，人们已成功地应用此技术制造出微型涡轮机、微型机械手、超微静电电动机等表面微型机械结构。随着这种技术的日趋成熟，单片式微型机器入的出现已为期不远。

   

    硅的腐蚀可以是一种反映速率限制的过程，也可以是扩散限制过程。后者激活能较低，腐蚀速率受温度的影响较前者为小，但搅拌可使腐蚀速率显著增加。改变腐蚀液的温度、浓度或成分，可改变腐蚀速度。另外，硅片的腐蚀速度还决定于晶向、类型、掺杂浓度、品格缺陷和表面结构。

    硅的腐蚀可以是各向同性的，也可以是各向异性的。基于腐蚀的各向异性可得到特定的腐蚀断面形状，因此，在微细机械加工过程中，通常采用异向腐蚀。

    利用异向腐蚀技术，可进行高精度的三维加工，在硅片上构成孔、沟、棱、锥、半球等各种形状的微型机械元件。如日本横河公司生产的全硅谐振式压力传感器就是应用此法生产的。

    基于机械支持、导热、电接触、封装、改善动态特性、形成构件等原因，在微细机械加工中常需将硅片键合到玻璃、陶瓷或其它硅片上去。在集成电路中常用共晶焊料、环氧树脂、聚合物、低熔点玻璃完成全过程。而在微细机械加工过程中，由于要求不同，通常采用Si-Class阳极键合和Si-Si直接键合两种方法。硅与硼硅玻璃(Pyrex Class)的键合过程中，两键合面的表面首要条件要非常光滑平整，硅和玻璃的热膨胀系数要匹配（膨胀差

要大于百分之5～10，键合温度180～500，两边加压200～1 000V，历时5～lOmin。这样形成的界面，电场强度大约为l0sV/m，强大的电场使硅和玻璃靠近，这个强电场也使玻璃中的氧向硅表面转移形成Si-0链，即硅的表面被氧化。

    Si-Si直接键合不用中间粘结剂，也不加电场，只需表面活化处理，在室温下两个热氧化硅片面对面接触，经一定温度退火使两个硅片键合在一起。利用该工艺，美国诺尔公司制成了0. 054mJ的微型压力传感器鹳1。

    目前，超微静电电动机在工业、医学领域应用的事例国外已有不少成功的报道。它的原理是根据两个电极间电荷分布所产生的吸引力和推斥力而把电能转换为机械能的，若把被称之为定子的静止电极和称为转子的移动电极上的电荷分布进行适当的变换。电机

便旋转起来。图2给出了美国麻省理工学院研制的超微电动机的剖面图和平面图。该电机采用多晶硅作为结构基片，经表面沉积工艺而蚀刻出的硅微机械。电机直径为100μm，气隙为1.5μm，转子和轴承的多晶硅厚度分别为2.2μm和0. 3μm，转子支撑套的高度为1. 8μm。当在定转子相对气隙间施加100v激励电压时，电机将产生10-12Nm的转矩，当施加80V激励电压时，电机转速可高达2 500r/min，这种电机已在空间技术中得到应用。

    采用硅微加工技术制造的超微静电电动机足一种表面加工器件，它与IC的相容性好，但存在转矩太小、输出功率低的缺陷。为此，国外正在研制一种新的超微电机一一一微电磁电动机。它不是以静电力作为驱动力，而是以电磁力作为驱动力，因而转矩、输出功率得到很大改善。电磁电动机要求实现三维结构技术难度较大，但从Transducc rs03会议上已有二例成功的报道。

    一是美国Wisconsen大学利用LIGA技术制成的电磁电动机，电动机的转子由NiFe合金制成，厚约40μm，直径285μm，工作时****转速可达33 000r/min，电动机的转矩约

为3×l0^-9Nm，****可达100×10^-9Nm，而静电电动机的输出转矩只有l0-12Nm。Wis-consen大学的电磁电动机在加工技术上还不够完善，它的转子定子的磁芯都是分别制作后再组装起来的，线圈的表面部分是通过热压的引线闭合的。

    其次是美国的乔治亚理工学院(GIT)采用多层表面微细加工技术制成的完全集成电磁电动机，它比Wisconsen大学的电磁电动机的先进之处是，它的定子铁心和完整的线圈都是通过微机械加工一起制成的。GIT电磁电动机的转子厚40Vm，直径500ym，定子总厚度为120tim。该电机由三相脉冲电流驱动，由于驱动控制的频率限制，电动机转速只测试到500r/min。

    7年前，美国国家科学基金会的报告就曾预言，微细机械将在医学界和工业界大显身手。对于易发心脏病的，微型机器在动脉血管内的游动可去除脂肪沉绽物。在精细的外科手术中，可以用微型剪和链锯从视网膜等部位清除结痂组织，还可以通过微型机器人的手，用针缝上刚刚幽现的伤口。含有微型泵的“神奇药片”，可以人为控制旋药量。微型泵还可能使某种机器具备自动检测功能，当糖尿病人体内葡萄糖含量降低时，便可自动释放所需要的胰岛素。

    不久前，日本丰田中央研究所利用微细加工的静电电动机来驱动光斩波器，并已在红外传感器中得到应用。日本东芝公司推出了一种直径仅0. 8mm的电动机，在1.7V电压下，其转速高达10 000r／min，一种可为未来的微型机器供电的小电池也在研究之中，人们估计，在未来的1--2年内会有首批微型机器人问世。日本通产省准备在2000年之前生产出可在人体内灵巧的动手术、用显微镜方能看得清的小机器，并拿到市场上销售。通产省还想用类似的系统做复杂设备的保养工作，如炼油厂、核电站的保养工作等口门。

    瑞士******电子中心CSEM开发成功了一种用于高功能磁头系统的集成电磁铁，其整个系统内480个电磁铁和相应的驱动电子电路集成在一芯片上，现已用于高质量磁图象打印头上。美国Cornell大学用微细加工技术研制成功了纳米级的针尖结构和针尖阵列，这些结构可以在扫描隧道显微镜(STM)和扫描原子力显微镜(ATM)等仪器中应用。

    据悉，目前国外已研制出一种新型微型内窥镜，利月它来寻找发动机和驱动装置内的损伤处，通常检查卡车里的这种沉重部件需花l0h，而用内窥镜检查只需30min。此外，科学家们还发明了一种用超微电动机来冷却计算机芯片的表面温度，而温度的控制对任何巨型计算机都极为重要。在电信工业中，研究人员还利用超微电动机来校正激光束和光导纤维；在航天领域内，微型机器人还可以到行星考察；在军事工程方面，微型机器人可到核潜艇内人无法进入的区域排除故障等。总之，微细机械具有广阔的应用前景，它将成为跨世纪的高新技术领域里的一个重要分支和高附加值的新兴产业。

    近代微电子技术及半导体微细加工技术的高速发展，为微细机械的研究开发打下了基础。现在从微米级的立体结构到由原子一个个组合而成的纳米级结构，已经用人工方法制成。值得欣慰的是，国内有些科技专家和教授，已洞察到这项高科技的重要意义，开始探索和筹划这一研究领域。可以相信，在不远的将来，徽细机械也将在我国走实用阶段。