微系統技術

微系統技術簡稱MST，它的基本工藝技術是矽的腐蝕和鍵合。

基本介紹

• 中文名：微系統技術
• 外文名：MST
• 類型：電路加工派生出的批量加工技術
• 基本工藝：矽的腐蝕和鍵合
• 特點：小型化、力的作用
• 學科：電子科學與技術

技術參考

MST的前景是壯觀的，其工藝是從積體電路加工派生出的批量加工技術。預期，MST將會同積體電路一樣，通過新的而且便宜的產品來改變人們的生活。MST的潛在套用包括汽車裡的壓力感測器和加速度計，也包括流量感測器、溫度感測器、力感測器、位置感測器、磁場感測器、化學感測器、光感測器、紅外輻射產感測器等，MST不但便宜，而且具有獨特的性能。我們認為，下一代的器件將使用微泵、流量感測器、微混合器、微篩、微反應器等，在醫藥、過程控制、化學分析等領域套用在生物、化學和生化分析系統中。再向未來做進一步展望，微型機器人將套用在電荷耦合器件（CCD）照相機中，對CCD晶片的位置做主動的最佳化；也可以套用在CD設定中，用來定位光學元件；還可以幫助外科醫生做手術；可以維修其它微系統；微機器人能夠在超淨間執行操作和檢修任務。以上列出了最近幾十年內MST的一些可能套用，有許多可能沒有列出，因為MST的發展在很大程度上具有不可預料性。

發展

在微系統技術微系統技術的發展歷史上，積體電路（IC）是技術的起點。電子器件小型化和多功能信成是微加工技術的推動力。如果沒有微加工和小型化技術的迅猛發展，許多今天看來理所當然的科學和工程成就都不可能實現。

微系統技術是由積體電路技術發展而來的，經過了大約20年的萌芽階段，即由20世紀60年代中期到20世紀80年代。在這段萌芽時期，主要是開展一些微系統技術的零散研究。例如，開發了矽各向異性腐蝕技術用於在平面矽襯底上加工三維結構；一些研究機構和工業實驗室里的研究者開始利用積體電路的加工技術製造微系統技術器件，例如懸臂樑、薄膜和噴嘴；微感測器的關鍵部件，如單晶矽和多晶矽中的壓阻被發現、研究和最佳化。

在微系統技術的研發時期，湧現出了一些具有重要意義的研究成果。1967年，Westinghouse公司發明了一種諧振柵電晶體（RGT）。它與傳統的電晶體不同，RGT的電柵極不是固定在柵氧化層上，而是相對矽襯底可動。由靜電力控制柵電極和襯底之間的間距。RGT是靜電微執行器的最早實例。

佳能公司最早開發了基於熱氣泡技術的噴墨列印技術，而惠普公司在1978年首先發明了基於矽微機械加工技術的噴墨印表機噴嘴。噴嘴陣列噴射出熱氣泡膨脹所需液體體積大小的墨滴。氣泡破裂又將墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，為下一次噴墨做準備。通過滴入紅、藍、黃三種基本色實現彩色列印。

在20世紀80年代後期，在微機械技術這個新領域的研究者主要是研究矽的套用——單晶矽襯底或者多晶矽薄膜。多晶矽薄膜技術的套用產生了一些表面微機械加工的機械結構，如彈簧、傳動機械和曲柄等。

20世紀90年代，全世界的微系統技術研究進入一個突飛猛進、日新月異的發展階段。非常成功的例子有美國Analog Devices（模擬器件）公司生產的用於汽車安全氣囊系統的集成慣性感測器，以及美國Texas Instruments（德州儀器）公司用於投影顯示的數字光處理晶片。

相對於巨觀的機電感測器，微系統技術技術帶來了兩個重要的優點，即高靈敏度和低噪聲。同時，由於微系統技術技術採用批量生產，而不是採用手工組裝的方式，有效地降低了感測器的使用成本

20世紀90年代後期，光微系統技術發展迅速。世界各地的研究人員競相開發微光機電系統和器件，希望能將二元光學透鏡、衍射光柵、可調光微鏡、干涉濾波器，相位調製器等部件套用到光學顯示、自適應光學系統、可調濾波器、氣體光譜分析儀和路由器等套用領域。

生物微系統技術包括生物學研究、醫療診斷和臨床介入等方面的微系統技術研究和套用。由於生物微系統技術結構和器件的尺寸大小、集成功能多，它們已經在一些醫療方面得到套用，例如視網膜植入，耳蝸植入、嵌入生理感測器以及含有感測器的智慧型手術工具等。

構成

微系統的構成：一個完整的微系統由感測器模組、執行元件模組、信號處理模組、外部環境接口模組以及定位機構、支撐機構、工具等機械結構等部分構成。

感測器模組

微系統技術與常規技術相比較，明顯的差異在於感測器技術方面。微系統對感測器的可靠性有了越來越高的要求，同時要求感測器有很高的準確性、敏感性、選擇性、壽命和與長時間工作漂移有關的穩定性。化學感測器和生物感測器還必須不受妨礙地暴露在未知的介質中，同時要避免虛假信號的影響。微系統技術中感測器的研究重點是微處理器控制的感測器陣列信號的數位化處理。通過統計方法求平均值，或者對信號進行分級採樣，測量系統的質量和動態特性得到了改善。

執行元件模組

微系統的第二個功能模組由一個或多個執行元件構成。在原理上執行元件與感測器是相對應的，感測器將輸入的物理或化學參數轉換為電或光信號輸出，執行元件將輸入的電、光或熱信號轉換成力、轉距、 位移和相位等物理參數輸出。

信號處理模組

微系統的第三個功能模組是信號處理，數據處理任務即對信號進行各種形式的處理。從感測器陣列得到的實驗數據流必須進行並行處理，只有經過處理的數據才可以用於控制執行元件，或者需要通過接口傳送到外部。

接口模組

接口的功能是實現微系統與外部世界的聯繫，接口主要包括連線到外部巨觀世界和從巨觀世界連線到微系統的接口。微系統不僅要與巨觀世界交換數據和信息，還要交換物理參數，例如與外部熱能、光能、機械能和流體壓力能的耦合連線。而微電子學接口僅限於處理電信號，相對來說實現為簡單而且非常穩定。

特點

我們必須解決很多問題，這些問題是與工藝的控制相關的，我們必須掌握如何設計微系統，必須開發使用與微系統的設計、模擬和仿真工具。隨著系統尺寸的縮小，我們正面臨許多物理和化學上的新問題。我們必須把三維上的尺寸、原理、設計和工藝轉化成平面的，或2.5維的原理、設計和工藝。

微觀世界與巨觀世界有很大的差別。微觀世界中，表面力起到了主要作用，例如表面張力和表面摩擦力等。只有在特殊場合。慣性力和質量對微系統才有意義，如加速度計和重力感測器，而靜電力和流量剪下力將使機械機構產生嚴重的變形。流量具有非常小的雷諾數，所以所有的流量都相當黏滯。在微米級系統中表面看起來非常粗糙，但機械結構卻非常硬和結實，周圍的溫度將由於強烈的Brownian移動而發生變化。

舉個例子，螞蟻不會洗臉，為什麼呢？因為水滴的表面張力太大，螞蟻克服不了，如果螞蟻被裹在水滴里，它也沒辦法離開。

微系統技術是以兩種截然不同的傳統技術為基礎的，一種是機械方法，另一種是微電子光刻工藝。光刻工藝能夠製作出1微米量級的部件。

矽片的各向異性濕法腐蝕是矽片微機械加工的重要技術之一。與“表面微機械加工”不同，表面微機械加工所對應的結構由薄膜構成，可在不影響材料的情況下，由同種材料薄膜釋放形成。各向異性濕法腐蝕被認為是“微機械加工”，因其可腐蝕矽片的體結構。