摘要：本文概述了MEMS技术及它与过程自动化发展的关系。

关键词：智能微系统；LIGA加工技术；压力变送器；现场总线；无线变送器

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世纪80年代，随着美国借助半导体集成电路制造技术研制成功微米级的硅微型静电马达而形成了微机械领域。这期间德国卡尔斯鲁厄原子核物理研究中心发明了LIGA技术（LIGA为德文lithographie，galvanofomung，abfomung三个单词的缩写），并制作出微加速度器、微型涡轮、微电机等多种微机械和微光学元件和系统。日本也研制出在硅衬底上制造几十微米大小的微连接铰链、弹簧、齿轮等构件。我国也于20世纪80年代末开展了微系统的研究工作。一个微传感器、微驱动器、微型机械（微型机器人）的研制热潮逐渐展开，到现在已经逐渐形成智能微系统的局面，而且科研以外，产业化已经形成，全球已有多家从事微传感器和系统的企业。

    目前我们说的智能微系统，也就是美国称之为MEMS微电子机械系统（micro electromechanical systems）或称微机电系统，欧洲称为微系统。MEMS已把微机械、微电子、微光学等学科相互综合，并逐渐形成三维集成，以致多维集成系统，微机电系统逐步向集成化微系统、高级智能微系统过渡。美国己把MEMS作为21世纪三大科研重点之一（另外两项是航天和通信）。

    MEMS微机电系统外形尺寸是指数厘米到数微米尺寸范围的系统，对于需要做成细长导管形成的微系统，其长度尺寸没有限制。MEMS一般是指1~100um的微米系统，其操作尺度更小。或者说轮廓尺寸在毫米级，组成元件尺寸在微米数量级。而对于100~0.1nm的尺寸范围，因是以原子或分子尺度为研究对象的技术，通称纳米机械（分子机械），不属于MEMS范围。MEMS系统的能源供给和信息传输有无线型和有线型两种。

    随着尺度的微小化，要从微观领域中的材料强度及表面效应等基础领域开始，对加工制造、微系统集成化、信息的交换处理和传输，以及控制等一系列关键技术进行研究，具体关键技术有微系统材料、微细加工技术、微系统的基础单元、微系统的集成与控制技术、微系统的测试讲师与许价技术、微系统的设计技术等。本文将就MEMS的制造技术展开论述。

2  半导体微加工技术及硅材料微机械加工技术

    半导体微加工技术与半导体集成电路制造技术相兼容，它包括图形技术、刻蝕技术、薄膜技术。

    图形技术一般由光刻来实现，在基板表面生成的二维图形，要求减小基本图形的尺寸和提高精度，具体有分辨率、线宽、准确度、失真度和套刻精度等性能参数，光学系统分辨率△X取决于暴光采用的光源的波长入（△X=Kλ/N?A），为了提高分辨率，而有采用波长更短的X射线、电子束、离子束等方法。

    刻蝕技术是把图形技术产生在基板表面形成的抗蚀剂图形精确地转移到基板或基板表面薄膜上的技术。有减法和加法两种工艺，根据刻蝕是液相过程还是气相过程又可分为湿法和干法。干法刻蝕有多种方法，主要有等离子体刻蝕、离子刻蝕已在超大规模集成电路的制造中广泛应用。

    薄膜技术由薄膜形成的过程来分有三类，即淀积膜、外延膜和表面改性。常用的薄膜生长方式有氧化（如硅上生长SiO2）、真空蒸发（如半导体AI电极）、溅射（如硅上淀积金）、化学气相沉积（如外延硅片）、扩散（Ti扩散LINBO3）和离子注入（如B注入Si）等。由于薄膜材料是制造微结构器件的基础，所以薄膜生长在微加工中很重要。

    大规模集成电路不及微电机电系统加工厚度上要求高，即前者为平面加工技术，后者为三维加工技术，所以建立了硅材料的微加工技术。它包括表面微机械加工、体微机械加工（体腐蚀加工）及键合技术等。

    表面微机械加工采用了牺牲层，即先在有绝缘层的基板上沉积一层牺牲层，在牺牲层上沉积结构层，并刻蝕成要求的图形，最后再将牺牲层腐蚀掉，就得到微结构层，一般加工层为几十微米，最好可为2微米左右。该工艺与CMOS工艺相兼容，设计灵活性强，如可制成静电型微马达等。

    体微机械加工采用掩膜深刻蝕即硅体腐蚀技术，更有利于进行深层加工，该法分各向同性和各向异性两种刻蝕，又可分湿法（液体介质）、干法（气体介质）两种方式。又为了在硅片上得到均匀的硅膜，而出现了自终止技术，常用的自终止腐蝕技术有重掺杂法、电化学法、pn结法、离子注入法等。利用湿法刻腐可制成浓度几百微米的硅微器件，如可制成微加速度计、微泵、微陀螺等微型器件。

    键合技术为与上面两种去除方式不同的结合方式的加工方法，即将各种微结构相互结合在一起形成一个微结构器件。基板和器件之间，以及几个基板之间的结合，即称为键合。具体健合方法有胶结、低温玻璃键合、共晶键合、直接键合、静电（阳极）键合等，其中最后两项因不易变形及尺寸精度高而更为重要。

3  LIGA加工技术

    LIGA加工技术由同步幅射光源进行X射线深层光刻、微电铸和微塑注三项工艺组成，可得到侧壁陡直、厚度1000微米、深宽比100的光刻胶微结构，经电气铸获得的金属微结构作为模具，可对多种材料进行批量生产，制造出不同高深度比的三维微结构器件。正是因为此法出现，MEMS才得到迅速发展。LIGA的8个工序组成如“现代仪器仪表技术与设计”手册P.557提供的工艺流程图所示（图1　LIGA工艺流程图），为曝光、显影、电铸、去胶、注塑、脱膜、电铸（在模具框架内电铸）、去塑8个工序，其中关键技术有X射线源、X射线掩膜版、微电铸等项，分述如下：

    X射线源要求光源具有高的强光而且为平行光，所以采用由电子同步加速器产生的同步射线X光源，X射线曝光的抗蝕剂有许多种，但同步幅射X射线常用的为正性抗蚀剂聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA），PMMA经X光照射一定时间后，分子链断裂转变成低分子化合物，经过特殊溶液显影，可得到所需要的微结构。表面和底部曝光时间的选择存在一定矛盾，为了保证抗蚀剂的表面和底层的曝光量，应根据抗蚀剂的厚度选择适当的X射线的波长，常用X射线的波长为0.2~0.3nm，如500um厚的PMMA选择0.3nm以下波长的X射线。

                                    图1   LIGA技术的工艺流程

    X射线掩膜版包括两个基本部分，一是用于吸收X射线的吸收体，另一个是用来支撑吸收体同时能最大限度地透过X射线的支撑层。吸收体材料中，金的综合性能较好，一般金吸收体厚度为10um左右。支撑层材料中，铍、硅、钛、金刚石均可，目前金刚石薄膜的制备技术已经比较成熟，但厚度大时表面较粗糙，为下道工序增加了困难。

    电铸是利用金属离子向阴极的电沉积原理制取零部件的工艺。LIGA微电铸采用经同步幅射X射线曝光并显影后的抗蚀剂作为模具，金属离子的堆积是在抗蚀剂模具上进行的，电铸后的微结构十分精细而且精度高，可进行复制，利于批量生产。金电铸用来制造X射线掩膜版的吸收层深度一般为10~20um，作为模具其深度一般为50~1000um。

    电铸槽结构与电镀设备类似，电铸材料有铁、镍等。镍比较好，应用较广。电铸溶液有氨基磺酸盐溶液、氟硼酸盐溶液、硫酸盐溶液等几种。电铸过程中适当增强金属结晶时的阴极极化，有利于晶核的产生速度，容易获得细 晶粒的电铸层，达到电铸层组织致密表面光亮的效果。

4  其他微细加工技术

    （1）放电加工技术：将一般机械加工中模具加工的放电加工进行改造而成。它与硅材料的微加工技术相比，加工尺寸范围约高1~2个 数量级，一般为10~10000微米，而且能加工出硅微加工技术所无法加工的一些微器件。放电加工技术主要加工的是金属或合金，而且能加工出硅微加工技术所无法加工的一些微器件。放电加工技术主要加工的是金属或合金，但对非金属（绝缘体）也可采用放电方法加工，有高电压法和电解液法两种，前者用于金刚石的加工，后者用于玻璃、红宝石、陶瓷的加工，目前绝缘材料放电加工尚需进一步完善。

    （2）激光加工技术：激光能在较小的面积内聚集到极高的能量密度，不需要真空环境，加工时不与工件接触，有利于实现自动化，所以在微机械加工技术中很受重视。常用激光器有掺钕钇铝石榴石（YAG）激光器、CO2激光器、准分子激光器等，常用的加工有激光打孔、激光刻蝕、激光LIGA等。激光LIGA就是用准分子激光进行深层刻蝕代替价格昂贵的LIGA中同步幅射X射线深层刻蝕，回避了X射线掩膜版的制作、套刻对准等一系列技术难题，从而降低了LIGA工艺的成本。

    （3）光造型加工技术：它是利用紫外线硬化树脂的性能来制作微机械部件的方法，即这种液态树脂被紫外线照射的部分随时转化为固态物质，只要将紫外光（紫外激光）光束聚焦得足够小，即可投篮有高深宽比、任意立体模型的微器件。

5  MEMS与流程工业自动化的发展

    对于MEMS微电子机械系统，人们一般把它看作制造技术，而作为一个完整的系统，它除去具有微传感器、微执行器（微驱动器外，还包括微控制器、微能源等部件，在目前通常说微型传感器就代表了微执行器、微控制器、微处理器、微电源等）。

    微型传感器按原理分有物理型、化学型、生物型，按物理现象分类有结构型传感器和物理型传感器。其中结构型传感器利用运动定律、电磁定律以及压力、体积、温度等物理量间的关系制成，信赖其结构参数变化实现信息转换，具体有电容式传感器，电感式传感器、谐振式传感器、编码器等。物性型传感器利用物质材料本身的某种客观性质和效应制成，信赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换，具体有压电传感器、压阻传感器 、光敏传感器等。

    与流程工业自动化关系最大的用于压力、流量（差压式）和液位（法兰式）测量的压力传感器，现有压阻型压力传感器、电容型压力传感器、振动型硅压力传感器几种类型，它们经历着灵巧型（Smart）向智能化的过渡，智能化微传感器经历了三个过程，即首先实现温度补偿电路、输出电路等特殊电路的集成化，随之发展赋予传感器新的功能（识别功能、控制功能等），采用微处理器作为信号处理电路，并同传感器一体化，第三代智能微传感器是进一步提高集成规模，在一个芯片上构筑传感器系统，实现并行处理电路功能等更高级功能。

    流程工业用压力度变送器从20世纪80年代以来 逐步淘汰了力平衡式仪表，采用扩散硅技术，经过几个阶段，90年代以后稳定成现在以测量压力为主，同时可以测量温度、静压等多参数的智能式变送器，内部分检测、变送两部分，最终输4~20mADC、HART、FF、Profibus-PA等多种可选信号，采用两线制12~24VDC供电方式，并发出相关诊断信息、设备信息，实现可互操作等开放性功能，典型代表产品有霍尼韦尔公司的ST-3000和横河公司的EJA、EJX等产品。如EJA采用了MEMS技术，属于振动型硅微压力传感器，精度达到0.075‰，具有很好的温度特性，是因为两个H形谐振蝕的形状、尺寸完全一样，温度变化时一个增加，一个减少，变化量一致，相互抵消。谐振蝕将差压、压力等信号分别转换成频率信号，送到脉冲计数器中，再将两频率之差直接送到微处理中进行数据处理。膜盒组件中的特性修正存储器中存储着传感器的环境温度，静压及输入输出物性修正数据，微处理器利用这些修正数据，进行温度补偿，核正静压特性和输入输出特性。

    应该说MEMS技术促进了流程工业自动化的发展，近10年来现场总线技术的发展就是建立在微传感器技术发展的基础上诞生的。但近年来出现较长时期现场变送器信号类型维持4~20mADC：HART：FF（或Profibus-PA）等各占5：4：1的格局，加之20种现场总线形成了IEC公认标准，所以议论颇多，在这种形势下，该怎么办呢？本文不准备对现场总线技术系统集成方面尚需完善、工程造价尚需降低、可维修性有待提高等方面进行研讨，不准备对模拟信号与数字信号的发展前途进行比较并对模拟技术的出路进行评说……只是就MEMS技术如何进一步推动流程工业自动化的数字化、智能化、网络化、集成化说一些不成熟的想法：近两年霍尼韦尔、艾默生等公司均推出了无线智能变送器，采用MEMS技术的艾默生公司的ROSEMOUNT 3051压力变送器电源模块寿命为10年、CSI 9420无线振动变送器电源模块寿命为6年（每60分钟发送一次信息）、ROSEMOUNT 702无线开关量变送器电源模块寿命为10年（每10分钟发送一次信息），他们可与Smart Wireless自组织无线网络相连，己用于防止因过滤器堵塞而泵发生事故的预警系统、监视油田原油生产提高生产率的系统，及用于炼油厂压缩机站、苯排放、输送碳氢化合物的泵振动监测等，消除环境污染事故，还用于造纸厂安全喷淋站，提高安全性。又在日本某电站正式使用，可靠性达到99.99%，减少了停机时间和提高电厂效率。这里并不是说无线变送器多么优越，只是说从MEMS角度看，它使微传感器功耗降低了，电池（锂一亚硫酸氯蓄电池）寿命可供工业应用（注：我并不特别主张电池供电），本质安全防爆问题解决了，MEMS微电子机械系统与大规模集成电路技术进一步融合了，等等。这些可喜的成果，是否可以用于有线的自动化系统（包括目前的现场仪表），或者说使FF和Profibus或以太网在技术上前进一步，也许这就是MEMS技术的魅力所在。技术创新，使用户受惠，这是我们共同的心愿。

参考文献

[1] 王大珩, 于光华. 现代仪器仪表技术与设计[M]. 北京: 科学出片社. 2002年.