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摘要：本文概述了MEMS技術及它與過程自動化發展的關系。

關鍵詞：智能微系統；LIGA加工技術；壓力變送器；現場總線；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80年代，隨著美國借助半導體集成電路制造技術研制成功微米級的硅微型靜電馬達而形成了微機械領域。這期間德國卡爾斯魯厄原子核物理研究中心發明了LIGA技術（LIGA為德文lithographie，galvanofomung，abfomung三個單詞的縮寫），并制作出微加速度器、微型渦輪、微電機等多種微機械和微光學元件和系統。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、齒輪等構件。我國也于20世紀80年代末開展了微系統的研究工作。一個微傳感器、微驅動器、微型機械（微型機器人）的研制熱潮逐漸展開，到現在已經逐漸形成智能微系統的局面，而且科研以外，產業化已經形成，全球已有多家從事微傳感器和系統的企業。

    目前我們說的智能微系統，也就是美國稱之為MEMS微電子機械系統（micro electromechanical systems）或稱微機電系統，歐洲稱為微系統。MEMS已把微機械、微電子、微光學等學科相互綜合，并逐漸形成三維集成，以致多維集成系統，微機電系統逐步向集成化微系統、高級智能微系統過渡。美國己把MEMS作為21世紀三大科研重點之一（另外兩項是航天和通信）。

    MEMS微機電系統外形尺寸是指數厘米到數微米尺寸范圍的系統，對于需要做成細長導管形成的微系統，其長度尺寸沒有限制。MEMS一般是指1~100um的微米系統，其操作尺度更小。或者說輪廓尺寸在毫米級，組成元件尺寸在微米數量級。而對于100~0.1nm的尺寸范圍，因是以原子或分子尺度為研究對象的技術，通稱納米機械（分子機械），不屬于MEMS范圍。MEMS系統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，要從微觀領域中的材料強度及表面效應等基礎領域開始，對加工制造、微系統集成化、信息的交換處理和傳輸，以及控制等一系列關鍵技術進行研究，具體關鍵技術有微系統材料、微細加工技術、微系統的基礎單元、微系統的集成與控制技術、微系統的測試講師與許價技術、微系統的設計技術等。本文將就MEMS的制造技術展開論述。

2  半導體微加工技術及硅材料微機械加工技術

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

    圖形技術一般由光刻來實現，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、準確度、失真度和套刻精度等性能參數，光學系統分辨率△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。

    刻蝕技術是把圖形技術產生在基板表面形成的抗蝕劑圖形精確地轉移到基板或基板表面薄膜上的技術。有減法和加法兩種工藝，根據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模集成電路的制造中廣泛應用。

    薄膜技術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（如半導體AI電極）、濺射（如硅上淀積金）、化學氣相沉積（如外延硅片）、擴散（Ti擴散LINBO3）和離子注入（如B注入Si）等。由于薄膜材料是制造微結構器件的基礎，所以薄膜生長在微加工中很重要。

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

    表面微機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，在犧牲層上沉積結構層，并刻蝕成要求的圖形，最后再將犧牲層腐蝕掉，就得到微結構層，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，設計靈活性強，如可制成靜電型微馬達等。

    體微機械加工采用掩膜深刻蝕即硅體腐蝕技術，更有利于進行深層加工，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）、干法（氣體介質）兩種方式。又為了在硅片上得到均勻的硅膜，而出現了自終止技術，常用的自終止腐蝕技術有重摻雜法、電化學法、pn結法、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、微泵、微陀螺等微型器件。

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

3  LIGA加工技術

    LIGA加工技術由同步幅射光源進行X射線深層光刻、微電鑄和微塑注三項工藝組成，可得到側壁陡直、厚度1000微米、深寬比100的光刻膠微結構，經電氣鑄獲得的金屬微結構作為模具，可對多種材料進行批量生產，制造出不同高深度比的三維微結構器件。正是因為此法出現，MEMS才得到迅速發展。LIGA的8個工序組成如“現代儀器儀表技術與設計”手冊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（在模具框架內電鑄）、去塑8個工序，其中關鍵技術有X射線源、X射線掩膜版、微電鑄等項，分述如下：

    X射線源要求光源具有高的強光而且為平行光，所以采用由電子同步加速器產生的同步射線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X光照射一定時間后，分子鏈斷裂轉變成低分子化合物，經過特殊溶液顯影，可得到所需要的微結構。表面和底部曝光時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，應根據抗蝕劑的厚度選擇適當的X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技術的工藝流程

    X射線掩膜版包括兩個基本部分，一是用于吸收X射線的吸收體，另一個是用來支撐吸收體同時能最大限度地透過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已經比較成熟，但厚度大時表面較粗糙，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行的，電鑄后的微結構十分精細而且精度高，可進行復制，利于批量生產。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。

    電鑄槽結構與電鍍設備類似，電鑄材料有鐵、鎳等。鎳比較好，應用較廣。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。電鑄過程中適當增強金屬結晶時的陰極極化，有利于晶核的產生速度，容易獲得細 晶粒的電鑄層，達到電鑄層組織致密表面光亮的效果。

4  其他微細加工技術

    （1）放電加工技術：將一般機械加工中模具加工的放電加工進行改造而成。它與硅材料的微加工技術相比，加工尺寸范圍約高1~2個 數量級，一般為10~10000微米，而且能加工出硅微加工技術所無法加工的一些微器件。放電加工技術主要加工的是金屬或合金，而且能加工出硅微加工技術所無法加工的一些微器件。放電加工技術主要加工的是金屬或合金，但對非金屬（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一步完善。

    （2）激光加工技術：激光能在較小的面積內聚集到極高的能量密度，不需要真空環境，加工時不與工件接觸，有利于實現自動化，所以在微機械加工技術中很受重視。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就是用準分子激光進行深層刻蝕代替價格昂貴的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、套刻對準等一系列技術難題，從而降低了LIGA工藝的成本。

    （3）光造型加工技術：它是利用紫外線硬化樹脂的性能來制作微機械部件的方法，即這種液態樹脂被紫外線照射的部分隨時轉化為固態物質，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與流程工業自動化的發展

    對于MEMS微電子機械系統，人們一般把它看作制造技術，而作為一個完整的系統，它除去具有微傳感器、微執行器（微驅動器外，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、化學型、生物型，按物理現象分類有結構型傳感器和物理型傳感器。其中結構型傳感器利用運動定律、電磁定律以及壓力、體積、溫度等物理量間的關系制成，信賴其結構參數變化實現信息轉換，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材料本身的某種客觀性質和效應制成，信賴其敏感元件物理特性的變化實現信息轉換，具體有壓電傳感器、壓阻傳感器 、光敏傳感器等。

    與流程工業自動化關系最大的用于壓力、流量（差壓式）和液位（法蘭式）測量的壓力傳感器，現有壓阻型壓力傳感器、電容型壓力傳感器、振動型硅壓力傳感器幾種類型，它們經歷著靈巧型（Smart）向智能化的過渡，智能化微傳感器經歷了三個過程，即首先實現溫度補償電路、輸出電路等特殊電路的集成化，隨之發展賦予傳感器新的功能（識別功能、控制功能等），采用微處理器作為信號處理電路，并同傳感器一體化，第三代智能微傳感器是進一步提高集成規模，在一個芯片上構筑傳感器系統，實現并行處理電路功能等更高級功能。

    流程工業用壓力度變送器從20世紀80年代以來 逐步淘汰了力平衡式儀表，采用擴散硅技術，經過幾個階段，90年代以后穩定成現在以測量壓力為主，同時可以測量溫度、靜壓等多參數的智能式變送器，內部分檢測、變送兩部分，最終輸4~20mADC、HART、FF、Profibus-PA等多種可選信號，采用兩線制12~24VDC供電方式，并發出相關診斷信息、設備信息，實現可互操作等開放性功能，典型代表產品有霍尼韋爾公司的ST-3000和橫河公司的EJA、EJX等產品。如EJA采用了MEMS技術，屬于振動型硅微壓力傳感器，精度達到0.075‰，具有很好的溫度特性，是因為兩個H形諧振蝕的形狀、尺寸完全一樣，溫度變化時一個增加，一個減少，變化量一致，相互抵消。諧振蝕將差壓、壓力等信號分別轉換成頻率信號，送到脈沖計數器中，再將兩頻率之差直接送到微處理中進行數據處理。膜盒組件中的特性修正存儲器中存儲著傳感器的環境溫度，靜壓及輸入輸出物性修正數據，微處理器利用這些修正數據，進行溫度補償，核正靜壓特性和輸入輸出特性。

    應該說MEMS技術促進了流程工業自動化的發展，近10年來現場總線技術的發展就是建立在微傳感器技術發展的基礎上誕生的。但近年來出現較長時期現場變送器信號類型維持4~20mADC：HART：FF（或Profibus-PA）等各占5：4：1的格局，加之20種現場總線形成了IEC公認標準，所以議論頗多，在這種形勢下，該怎么辦呢？本文不準備對現場總線技術系統集成方面尚需完善、工程造價尚需降低、可維修性有待提高等方面進行研討，不準備對模擬信號與數字信號的發展前途進行比較并對模擬技術的出路進行評說……只是就MEMS技術如何進一步推動流程工業自動化的數字化、智能化、網絡化、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無線振動變送器電源模塊壽命為6年（每60分鐘發送一次信息）、ROSEMOUNT 702無線開關量變送器電源模塊壽命為10年（每10分鐘發送一次信息），他們可與Smart Wireless自組織無線網絡相連，己用于防止因過濾器堵塞而泵發生事故的預警系統、監視油田原油生產提高生產率的系統，及用于煉油廠壓縮機站、苯排放、輸送碳氫化合物的泵振動監測等，消除環境污染事故，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，可靠性達到99.99%，減少了停機時間和提高電廠效率。這里并不是說無線變送器多么優越，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）壽命可供工業應用（注：我并不特別主張電池供電），本質安全防爆問題解決了，MEMS微電子機械系統與大規模集成電路技術進一步融合了，等等。這些可喜的成果，是否可以用于有線的自動化系統（包括目前的現場儀表），或者說使FF和Profibus或以太網在技術上前進一步，也許這就是MEMS技術的魅力所在。技術創新，使用戶受惠，這是我們共同的心愿。

參考文獻

[1] 王大珩, 于光華. 現代儀器儀表技術與設計[M]. 北京: 科學出片社. 2002年.