摘要：本文概述了MEMS技術(shù)及它與過程自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：智能微系統(tǒng)；LIGA加工技術(shù)；壓力變送器；現(xiàn)場總線；無線變送器

Abstract: The paper introuduces MEMS technologies and the development of process industrial
 automation.

Key words: Intelligent Micro System; LIGA Manufacture;Technology Pressure; Transmitter  
Fieldbus; 

Wireless Transmitter

1  引言

    在20世紀(jì)80年代，隨著美國借助半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)研制成功微米級(jí)的硅微型靜電馬達(dá)而形成了微機(jī)械領(lǐng)域。這期間德國卡爾斯魯厄原子核物理研究中心發(fā)明了LIGA技術(shù)（LIGA為德文lithographie，galvanofomung，abfomung三個(gè)單詞的縮寫），并制作出微加速度器、微型渦輪、微電機(jī)等多種微機(jī)械和微光學(xué)元件和系統(tǒng)。日本也研制出在硅襯底上制造幾十微米大小的微連接鉸鏈、彈簧、齒輪等構(gòu)件。我國也于20世紀(jì)80年代末開展了微系統(tǒng)的研究工作。一個(gè)微傳感器、微驅(qū)動(dòng)器、微型機(jī)械（微型機(jī)器人）的研制熱潮逐漸展開，到現(xiàn)在已經(jīng)逐漸形成智能微系統(tǒng)的局面，而且科研以外，產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)形成，全球已有多家從事微傳感器和系統(tǒng)的企業(yè)。

    目前我們說的智能微系統(tǒng)，也就是美國稱之為MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng)（micro electromechanical systems）或稱微機(jī)電系統(tǒng)，歐洲稱為微系統(tǒng)。MEMS已把微機(jī)械、微電子、微光學(xué)等學(xué)科相互綜合，并逐漸形成三維集成，以致多維集成系統(tǒng)，微機(jī)電系統(tǒng)逐步向集成化微系統(tǒng)、高級(jí)智能微系統(tǒng)過渡。美國己把MEMS作為21世紀(jì)三大科研重點(diǎn)之一（另外兩項(xiàng)是航天和通信）。

    MEMS微機(jī)電系統(tǒng)外形尺寸是指數(shù)厘米到數(shù)微米尺寸范圍的系統(tǒng)，對(duì)于需要做成細(xì)長導(dǎo)管形成的微系統(tǒng)，其長度尺寸沒有限制。MEMS一般是指1~100um的微米系統(tǒng)，其操作尺度更小。或者說輪廓尺寸在毫米級(jí)，組成元件尺寸在微米數(shù)量級(jí)。而對(duì)于100~0.1nm的尺寸范圍，因是以原子或分子尺度為研究對(duì)象的技術(shù)，通稱納米機(jī)械（分子機(jī)械），不屬于MEMS范圍。MEMS系統(tǒng)的能源供給和信息傳輸有無線型和有線型兩種。

    隨著尺度的微小化，要從微觀領(lǐng)域中的材料強(qiáng)度及表面效應(yīng)等基礎(chǔ)領(lǐng)域開始，對(duì)加工制造、微系統(tǒng)集成化、信息的交換處理和傳輸，以及控制等一系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，具體關(guān)鍵技術(shù)有微系統(tǒng)材料、微細(xì)加工技術(shù)、微系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元、微系統(tǒng)的集成與控制技術(shù)、微系統(tǒng)的測試講師與許價(jià)技術(shù)、微系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)等。本文將就MEMS的制造技術(shù)展開論述。

2  半導(dǎo)體微加工技術(shù)及硅材料微機(jī)械加工技術(shù)

    半導(dǎo)體微加工技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)相兼容，它包括圖形技術(shù)、刻蝕技術(shù)、薄膜技術(shù)。

    圖形技術(shù)一般由光刻來實(shí)現(xiàn)，在基板表面生成的二維圖形，要求減小基本圖形的尺寸和提高精度，具體有分辨率、線寬、準(zhǔn)確度、失真度和套刻精度等性能參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)分辨率△X取決于暴光采用的光源的波長入（△X=Kλ/N?A），為了提高分辨率，而有采用波長更短的X射線、電子束、離子束等方法。

    刻蝕技術(shù)是把圖形技術(shù)產(chǎn)生在基板表面形成的抗蝕劑圖形精確地轉(zhuǎn)移到基板或基板表面薄膜上的技術(shù)。有減法和加法兩種工藝，根據(jù)刻蝕是液相過程還是氣相過程又可分為濕法和干法。干法刻蝕有多種方法，主要有等離子體刻蝕、離子刻蝕已在超大規(guī)模集成電路的制造中廣泛應(yīng)用。

    薄膜技術(shù)由薄膜形成的過程來分有三類，即淀積膜、外延膜和表面改性。常用的薄膜生長方式有氧化（如硅上生長SiO2）、真空蒸發(fā)（如半導(dǎo)體AI電極）、濺射（如硅上淀積金）、化學(xué)氣相沉積（如外延硅片）、擴(kuò)散（Ti擴(kuò)散LINBO3）和離子注入（如B注入Si）等。由于薄膜材料是制造微結(jié)構(gòu)器件的基礎(chǔ)，所以薄膜生長在微加工中很重要。

    大規(guī)模集成電路不及微電機(jī)電系統(tǒng)加工厚度上要求高，即前者為平面加工技術(shù)，后者為三維加工技術(shù)，所以建立了硅材料的微加工技術(shù)。它包括表面微機(jī)械加工、體微機(jī)械加工（體腐蝕加工）及鍵合技術(shù)等。

    表面微機(jī)械加工采用了犧牲層，即先在有絕緣層的基板上沉積一層犧牲層，在犧牲層上沉積結(jié)構(gòu)層，并刻蝕成要求的圖形，最后再將犧牲層腐蝕掉，就得到微結(jié)構(gòu)層，一般加工層為幾十微米，最好可為2微米左右。該工藝與CMOS工藝相兼容，設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)，如可制成靜電型微馬達(dá)等。

    體微機(jī)械加工采用掩膜深刻蝕即硅體腐蝕技術(shù)，更有利于進(jìn)行深層加工，該法分各向同性和各向異性兩種刻蝕，又可分濕法（液體介質(zhì)）、干法（氣體介質(zhì)）兩種方式。又為了在硅片上得到均勻的硅膜，而出現(xiàn)了自終止技術(shù)，常用的自終止腐蝕技術(shù)有重?fù)诫s法、電化學(xué)法、pn結(jié)法、離子注入法等。利用濕法刻腐可制成濃度幾百微米的硅微器件，如可制成微加速度計(jì)、微泵、微陀螺等微型器件。

    鍵合技術(shù)為與上面兩種去除方式不同的結(jié)合方式的加工方法，即將各種微結(jié)構(gòu)相互結(jié)合在一起形成一個(gè)微結(jié)構(gòu)器件。基板和器件之間，以及幾個(gè)基板之間的結(jié)合，即稱為鍵合。具體健合方法有膠結(jié)、低溫玻璃鍵合、共晶鍵合、直接鍵合、靜電（陽極）鍵合等，其中最后兩項(xiàng)因不易變形及尺寸精度高而更為重要。

3  LIGA加工技術(shù)

    LIGA加工技術(shù)由同步幅射光源進(jìn)行X射線深層光刻、微電鑄和微塑注三項(xiàng)工藝組成，可得到側(cè)壁陡直、厚度1000微米、深寬比100的光刻膠微結(jié)構(gòu)，經(jīng)電氣鑄獲得的金屬微結(jié)構(gòu)作為模具，可對(duì)多種材料進(jìn)行批量生產(chǎn)，制造出不同高深度比的三維微結(jié)構(gòu)器件。正是因?yàn)榇朔ǔ霈F(xiàn)，MEMS才得到迅速發(fā)展。LIGA的8個(gè)工序組成如“現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)與設(shè)計(jì)”手冊(cè)P.557提供的工藝流程圖所示（圖1　LIGA工藝流程圖），為曝光、顯影、電鑄、去膠、注塑、脫膜、電鑄（在模具框架內(nèi)電鑄）、去塑8個(gè)工序，其中關(guān)鍵技術(shù)有X射線源、X射線掩膜版、微電鑄等項(xiàng)，分述如下：

    X射線源要求光源具有高的強(qiáng)光而且為平行光，所以采用由電子同步加速器產(chǎn)生的同步射線X光源，X射線曝光的抗蝕劑有許多種，但同步幅射X射線常用的為正性抗蝕劑聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA），PMMA經(jīng)X光照射一定時(shí)間后，分子鏈斷裂轉(zhuǎn)變成低分子化合物，經(jīng)過特殊溶液顯影，可得到所需要的微結(jié)構(gòu)。表面和底部曝光時(shí)間的選擇存在一定矛盾，為了保證抗蝕劑的表面和底層的曝光量，應(yīng)根據(jù)抗蝕劑的厚度選擇適當(dāng)?shù)腦射線的波長，常用X射線的波長為0.2~0.3nm，如500um厚的PMMA選擇0.3nm以下波長的X射線。

                                    圖1   LIGA技術(shù)的工藝流程

    X射線掩膜版包括兩個(gè)基本部分，一是用于吸收X射線的吸收體，另一個(gè)是用來支撐吸收體同時(shí)能最大限度地透過X射線的支撐層。吸收體材料中，金的綜合性能較好，一般金吸收體厚度為10um左右。支撐層材料中，鈹、硅、鈦、金剛石均可，目前金剛石薄膜的制備技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但厚度大時(shí)表面較粗糙，為下道工序增加了困難。

    電鑄是利用金屬離子向陰極的電沉積原理制取零部件的工藝。LIGA微電鑄采用經(jīng)同步幅射X射線曝光并顯影后的抗蝕劑作為模具，金屬離子的堆積是在抗蝕劑模具上進(jìn)行的，電鑄后的微結(jié)構(gòu)十分精細(xì)而且精度高，可進(jìn)行復(fù)制，利于批量生產(chǎn)。金電鑄用來制造X射線掩膜版的吸收層深度一般為10~20um，作為模具其深度一般為50~1000um。

    電鑄槽結(jié)構(gòu)與電鍍?cè)O(shè)備類似，電鑄材料有鐵、鎳等。鎳比較好，應(yīng)用較廣。電鑄溶液有氨基磺酸鹽溶液、氟硼酸鹽溶液、硫酸鹽溶液等幾種。電鑄過程中適當(dāng)增強(qiáng)金屬結(jié)晶時(shí)的陰極極化，有利于晶核的產(chǎn)生速度，容易獲得細(xì) 晶粒的電鑄層，達(dá)到電鑄層組織致密表面光亮的效果。

4  其他微細(xì)加工技術(shù)

    （1）放電加工技術(shù)：將一般機(jī)械加工中模具加工的放電加工進(jìn)行改造而成。它與硅材料的微加工技術(shù)相比，加工尺寸范圍約高1~2個(gè) 數(shù)量級(jí)，一般為10~10000微米，而且能加工出硅微加工技術(shù)所無法加工的一些微器件。放電加工技術(shù)主要加工的是金屬或合金，而且能加工出硅微加工技術(shù)所無法加工的一些微器件。放電加工技術(shù)主要加工的是金屬或合金，但對(duì)非金屬（絕緣體）也可采用放電方法加工，有高電壓法和電解液法兩種，前者用于金剛石的加工，后者用于玻璃、紅寶石、陶瓷的加工，目前絕緣材料放電加工尚需進(jìn)一步完善。

    （2）激光加工技術(shù)：激光能在較小的面積內(nèi)聚集到極高的能量密度，不需要真空環(huán)境，加工時(shí)不與工件接觸，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所以在微機(jī)械加工技術(shù)中很受重視。常用激光器有摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器、CO2激光器、準(zhǔn)分子激光器等，常用的加工有激光打孔、激光刻蝕、激光LIGA等。激光LIGA就是用準(zhǔn)分子激光進(jìn)行深層刻蝕代替價(jià)格昂貴的LIGA中同步幅射X射線深層刻蝕，回避了X射線掩膜版的制作、套刻對(duì)準(zhǔn)等一系列技術(shù)難題，從而降低了LIGA工藝的成本。

    （3）光造型加工技術(shù)：它是利用紫外線硬化樹脂的性能來制作微機(jī)械部件的方法，即這種液態(tài)樹脂被紫外線照射的部分隨時(shí)轉(zhuǎn)化為固態(tài)物質(zhì)，只要將紫外光（紫外激光）光束聚焦得足夠小，即可投籃有高深寬比、任意立體模型的微器件。

5  MEMS與流程工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展

    對(duì)于MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng)，人們一般把它看作制造技術(shù)，而作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，它除去具有微傳感器、微執(zhí)行器（微驅(qū)動(dòng)器外，還包括微控制器、微能源等部件，在目前通常說微型傳感器就代表了微執(zhí)行器、微控制器、微處理器、微電源等）。

    微型傳感器按原理分有物理型、化學(xué)型、生物型，按物理現(xiàn)象分類有結(jié)構(gòu)型傳感器和物理型傳感器。其中結(jié)構(gòu)型傳感器利用運(yùn)動(dòng)定律、電磁定律以及壓力、體積、溫度等物理量間的關(guān)系制成，信賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，具體有電容式傳感器，電感式傳感器、諧振式傳感器、編碼器等。物性型傳感器利用物質(zhì)材料本身的某種客觀性質(zhì)和效應(yīng)制成，信賴其敏感元件物理特性的變化實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，具體有壓電傳感器、壓阻傳感器 、光敏傳感器等。

    與流程工業(yè)自動(dòng)化關(guān)系最大的用于壓力、流量（差壓式）和液位（法蘭式）測量的壓力傳感器，現(xiàn)有壓阻型壓力傳感器、電容型壓力傳感器、振動(dòng)型硅壓力傳感器幾種類型，它們經(jīng)歷著靈巧型（Smart）向智能化的過渡，智能化微傳感器經(jīng)歷了三個(gè)過程，即首先實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電路、輸出電路等特殊電路的集成化，隨之發(fā)展賦予傳感器新的功能（識(shí)別功能、控制功能等），采用微處理器作為信號(hào)處理電路，并同傳感器一體化，第三代智能微傳感器是進(jìn)一步提高集成規(guī)模，在一個(gè)芯片上構(gòu)筑傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并行處理電路功能等更高級(jí)功能。

    流程工業(yè)用壓力度變送器從20世紀(jì)80年代以來 逐步淘汰了力平衡式儀表，采用擴(kuò)散硅技術(shù)，經(jīng)過幾個(gè)階段，90年代以后穩(wěn)定成現(xiàn)在以測量壓力為主，同時(shí)可以測量溫度、靜壓等多參數(shù)的智能式變送器，內(nèi)部分檢測、變送兩部分，最終輸4~20mADC、HART、FF、Profibus-PA等多種可選信號(hào)，采用兩線制12~24VDC供電方式，并發(fā)出相關(guān)診斷信息、設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)可互操作等開放性功能，典型代表產(chǎn)品有霍尼韋爾公司的ST-3000和橫河公司的EJA、EJX等產(chǎn)品。如EJA采用了MEMS技術(shù)，屬于振動(dòng)型硅微壓力傳感器，精度達(dá)到0.075‰，具有很好的溫度特性，是因?yàn)閮蓚€(gè)H形諧振蝕的形狀、尺寸完全一樣，溫度變化時(shí)一個(gè)增加，一個(gè)減少，變化量一致，相互抵消。諧振蝕將差壓、壓力等信號(hào)分別轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，送到脈沖計(jì)數(shù)器中，再將兩頻率之差直接送到微處理中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。膜盒組件中的特性修正存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著傳感器的環(huán)境溫度，靜壓及輸入輸出物性修正數(shù)據(jù)，微處理器利用這些修正數(shù)據(jù)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，核正靜壓特性和輸入輸出特性。

    應(yīng)該說MEMS技術(shù)促進(jìn)了流程工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，近10年來現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展就是建立在微傳感器技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上誕生的。但近年來出現(xiàn)較長時(shí)期現(xiàn)場變送器信號(hào)類型維持4~20mADC：HART：FF（或Profibus-PA）等各占5：4：1的格局，加之20種現(xiàn)場總線形成了IEC公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，所以議論頗多，在這種形勢(shì)下，該怎么辦呢？本文不準(zhǔn)備對(duì)現(xiàn)場總線技術(shù)系統(tǒng)集成方面尚需完善、工程造價(jià)尚需降低、可維修性有待提高等方面進(jìn)行研討，不準(zhǔn)備對(duì)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的發(fā)展前途進(jìn)行比較并對(duì)模擬技術(shù)的出路進(jìn)行評(píng)說……只是就MEMS技術(shù)如何進(jìn)一步推動(dòng)流程工業(yè)自動(dòng)化的數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化說一些不成熟的想法：近兩年霍尼韋爾、艾默生等公司均推出了無線智能變送器，采用MEMS技術(shù)的艾默生公司的ROSEMOUNT 3051壓力變送器電源模塊壽命為10年、CSI 9420無線振動(dòng)變送器電源模塊壽命為6年（每60分鐘發(fā)送一次信息）、ROSEMOUNT 702無線開關(guān)量變送器電源模塊壽命為10年（每10分鐘發(fā)送一次信息），他們可與Smart Wireless自組織無線網(wǎng)絡(luò)相連，己用于防止因過濾器堵塞而泵發(fā)生事故的預(yù)警系統(tǒng)、監(jiān)視油田原油生產(chǎn)提高生產(chǎn)率的系統(tǒng)，及用于煉油廠壓縮機(jī)站、苯排放、輸送碳?xì)浠衔锏谋谜駝?dòng)監(jiān)測等，消除環(huán)境污染事故，還用于造紙廠安全噴淋站，提高安全性。又在日本某電站正式使用，可靠性達(dá)到99.99%，減少了停機(jī)時(shí)間和提高電廠效率。這里并不是說無線變送器多么優(yōu)越，只是說從MEMS角度看，它使微傳感器功耗降低了，電池（鋰一亞硫酸氯蓄電池）壽命可供工業(yè)應(yīng)用（注：我并不特別主張電池供電），本質(zhì)安全防爆問題解決了，MEMS微電子機(jī)械系統(tǒng)與大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)一步融合了，等等。這些可喜的成果，是否可以用于有線的自動(dòng)化系統(tǒng)（包括目前的現(xiàn)場儀表），或者說使FF和Profibus或以太網(wǎng)在技術(shù)上前進(jìn)一步，也許這就是MEMS技術(shù)的魅力所在。技術(shù)創(chuàng)新，使用戶受惠，這是我們共同的心愿。

參考文獻(xiàn)

[1] 王大珩, 于光華. 現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 科學(xué)出片社. 2002年.