MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

摘要

敘述了在微工程研究領(lǐng)域有代表性的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)特點(diǎn)，介紹了MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)等典型的MEMS產(chǎn)品，概述了MEMS基礎(chǔ)理論研究進(jìn)展以及國(guó)外對(duì)MEMS陀螺儀、MEMS加速度計(jì)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了MEMS技術(shù)在飛航導(dǎo)彈等飛行器上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

引言

新興的微米與納米技術(shù)正在派生出一門(mén)新興學(xué)科叫微工程，它專(zhuān)門(mén)研究具有納米、微米和毫米尺寸的實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維小型傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、材料合成、微機(jī)械加工、組裝、總裝和封裝。利用這項(xiàng)技術(shù)可以把傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及信號(hào)和數(shù)據(jù)處理器做在同塊芯片上，構(gòu)成件微型儀表。目前，研究和開(kāi)發(fā)微納米級(jí)的微機(jī)電系統(tǒng)和專(zhuān)用微型儀表(ASIM),包括微納米傳感器、傳動(dòng)件、執(zhí)行器以及智能材料等已成為熱門(mén)課題。20世紀(jì)70年代興起的微電子機(jī)械系統(tǒng)，是集執(zhí)行器和傳感器等微型裝置、微型機(jī)構(gòu)、微尺度驅(qū)動(dòng)、控制與處理集成電路(IC)為一體的微型系統(tǒng)。隨著MEMS的出現(xiàn)和發(fā)展，航天微系統(tǒng)時(shí)代將伴隨而來(lái)。MEMS技術(shù)的發(fā)展，為未來(lái)飛航導(dǎo)彈等高端航天航空飛行器的設(shè)計(jì)提供很大的發(fā)揮空間。

1 MEMS的技術(shù)特點(diǎn)和典型產(chǎn)品

1)MEMS的技術(shù)特點(diǎn)

基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的傳感器一般是由硅基材料和利用半導(dǎo)體集成電路制造工藝制造而成的集微機(jī)械、微電子功能高度綜合的傳感器系統(tǒng)，它具有顯著的尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、成本低、可靠性高、抗振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)，在微米量級(jí)的特征尺寸使得它們可以完成某些傳統(tǒng)傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。目前研制的MEMS產(chǎn)品主要包括微機(jī)電陀螺儀、微機(jī)電加速度計(jì)及微壓力計(jì)等在內(nèi)的微機(jī)電傳感器。由于在尺寸、質(zhì)量、功耗和可靠性等方面的突出特點(diǎn)，MEMS傳感器被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和抗惡劣環(huán)境要求高的場(chǎng)合。

2)MEMS壓力傳感器

微機(jī)電壓力傳感器是最早開(kāi)始研制、最早開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化的MEMS產(chǎn)品。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類(lèi)，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)。目前，壓阻式壓力傳感器的精度可達(dá)0.05%-0.01%，溫度誤差為0.0002%，耐壓可達(dá)幾百兆帕，過(guò)壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上，并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償。硅微諧振式傳感器除了具有普通微傳感器的優(yōu)點(diǎn)外，還具有準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力和測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。并且將敏感元件與信號(hào)調(diào)理電路高度集成在一塊芯片上，大大提高可靠性和減低制造成本，具有很好的應(yīng)用前景。

3) MEMS加速度計(jì)

運(yùn)動(dòng)載體的線運(yùn)動(dòng)加速度是通過(guò)加速度傳感器測(cè)量的，硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個(gè)進(jìn)入市場(chǎng)的MEMS傳感器。其主要類(lèi)型有壓阻式、電容式、力平衡式和諧振式，最具有吸引力的是力平衡加速度計(jì)。其主要的制造手段是硅片表面微機(jī)械工藝和BiCMOS技術(shù)。目前工程化的MESM加速度計(jì)精度在國(guó)外已達(dá)到100ug以?xún)?nèi)。

4)MEMS陀螺儀

飛行器飛行姿態(tài)運(yùn)動(dòng)是用陀螺儀來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體具有保持其角動(dòng)量的特性來(lái)測(cè)量角速度。常見(jiàn)的MEMS陀螺儀有雙平衡環(huán)結(jié)構(gòu)、懸臂梁結(jié)構(gòu)、音義結(jié)構(gòu)、振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)等，通過(guò)被激勵(lì)的振動(dòng)體對(duì)哥氏加速度的敏感來(lái)測(cè)量角速度。1988年，美國(guó)德雷伯實(shí)驗(yàn)室研制出第一臺(tái)框架式角振動(dòng)微機(jī)電陀螺儀，1993年又研制出性能更好的音叉式線振動(dòng)陀螺儀。影響其應(yīng)用的主要問(wèn)題是精度限制，提高精度的手段主要是改進(jìn)微細(xì)加工工藝和誤差分離/補(bǔ)償技術(shù)。

2國(guó)外MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 MEMS基礎(chǔ)理論研究發(fā)展

MEMS不同于傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)，自身還有宏觀物理學(xué)難以解釋和預(yù)測(cè)的特定規(guī)律，諸如微構(gòu)件力學(xué)性能、微摩擦機(jī)理、微流體力學(xué)、微傳熱學(xué)等基礎(chǔ)理論研究仍然需要深入探索和關(guān)注。對(duì)于某些微納尺寸構(gòu)件或系統(tǒng)，其微尺度效應(yīng)與宏觀現(xiàn)象差異很大，甚至發(fā)生質(zhì)的變化，諸如力的尺寸效應(yīng)、微結(jié)構(gòu)表面效應(yīng)、微觀摩擦機(jī)理、熱傳導(dǎo)、誤差效應(yīng)和微構(gòu)件力學(xué)性能等。在微觀領(lǐng)域，與物體特征尺寸成高次方的慣性力、電磁力作用會(huì)隨著特征尺寸的減小而快速下降，與特征尺寸成低次方的黏性力、彈性力、靜電力、范德華力等減小的速度會(huì)慢的多，比高次方的力相對(duì)增大;在許多情況下，重力和慣性力可忽略，表面力和靜電引力成為對(duì)系統(tǒng)性能起主導(dǎo)影響作用的因素.微構(gòu)件相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，表面摩擦力、潤(rùn)滑膜粘滯力表現(xiàn)突出;微觀摩擦將取決于構(gòu)件表面間的分子作用力，而不再是載荷壓力，牛頓摩擦定律在此已不適用。在微流體力學(xué)中，微管道中液體的輸送機(jī)理和外在表現(xiàn)與Navier-Stokes流體方程出現(xiàn)偏離，需要基于微流體動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行修正。在微尺度傳熱學(xué)中，微槽、微孔、微管等微器件內(nèi)部的傳質(zhì)傳熱特性亦與宏觀傳熱油很大差異。

目前，MEMS基礎(chǔ)理論研究已取得一些研究進(jìn)展，并開(kāi)發(fā)出一些測(cè)試儀器或系統(tǒng)對(duì)微尺度理論體系進(jìn)行完善，但尚不系統(tǒng)化，有待于進(jìn)一步對(duì)微結(jié)構(gòu)學(xué)、微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微摩擦學(xué)、微熱力學(xué)、微電子學(xué)、微光學(xué)、微生物學(xué)等進(jìn)行研究。

2.2 MEMS加速度計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)ADI公司最早實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)結(jié)構(gòu)和電路的單片集成，自1993年第1只表面硅工藝生產(chǎn)的硅加速度計(jì)出售至今，以ADXI5O為代表的微慣性器件全球銷(xiāo)量已超過(guò)l億件。其器件不斷朝高性能、小體積方向發(fā)展，此類(lèi)加速度計(jì)主要針對(duì)工業(yè)傳感領(lǐng)域，如汽車(chē)氣囊的彈射觸發(fā)等.ADI公司微加速度計(jì)的性能發(fā)展列于下表。

為了減小體積和成本，ADI公司還進(jìn)行了雙軸單片集成硅加速度計(jì)的研制，成品為ADXL203雙軸硅微加速度計(jì)，量程為1.7 g,精度為5.0 mg。加州大學(xué)伯克利分校采用2um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝研制的三軸加速度計(jì)，芯片見(jiàn)圖1。3個(gè)分離的檢測(cè)質(zhì)量為2um厚的多晶硅，其檢測(cè)電路包括約1000個(gè)晶體管。另外，伯克利分校還報(bào)道了一種采用單質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)的三軸加速度計(jì),Litton SiACTM硅加速度計(jì)為其典型的代表，量程超過(guò)100g,零偏優(yōu)于20ug,標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性?xún)?yōu)于5x10的-5次方。采用全硅結(jié)構(gòu)，體積小、質(zhì)是輕、功耗低。此類(lèi)加速度計(jì)針對(duì)導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域如小型無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航和控制、短程戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)等等，已廣泛應(yīng)用于LN-200、 LN-200S、LN-300等慣性測(cè)量組合上，以及LTN-101E、LI-SA-200兩種民用和軍用飛機(jī)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)上。