机电一体化技术的杰出成就:微电子机械系统

    一、引言

    作为现代机械科学技术重要标志之一的机电一体化，为机械系统在结构、性能和应用水平等方面都带来了革命性的变化，这种变化的趋势之一便是机械装备向微小型化方向发展。80年代中后期发展起来的微电子机械系统，即MEMS(Miero一Eleetro一MeehaniealSystems)，就是这一趋势的反映。目前，全世界微电子机械系统的工业产值已超过每年10亿美元。专家们估计，到2000年，其年产值将超过140亿美元[lj。人们研究微型机械，以适应生物、医学、环境控制、航空航天、数字通讯、传感技术、灵巧武器等领域在微小型化方面提出的日益增长的需要，并对现代科学技术的发展产生深远的影响。

    微电子机械系统是指从微米(mieronmeter，10一6m)到毫米(mil-hmeter，10一3m)量级大小的装置，这种装置既可以制造成离散的单个零件，也可以以较大规模的阵列方式制造。其制造过程在很多方面类似于目前已相当成熟的集成电路制造工艺，以硅为主要材料，采用大规模集成电路的微细加工技术，将各种机构、驱动器、传感器以及控制器等一部机器所有的主要部件集成在一块多晶硅片上，它既可以将传统的无源机构变为有源机构，又可以形成一个完整的机电一体化的微电子机械系统。目前在这一领域比较成熟的是一种被称为表面微加工(surfaeeMieromaehining)的技术[1〕，采用类似于制造电子芯片的光刻工艺，将少量的硅材料沉积在芯片上，然后按一定的图案蚀刻掉，以形成微型梁、微型薄膜、微型齿轮、微型弹簧、微型轴承、微型阀门乃至微型电机等零部件。这些装置的大小以微米计，但功能却相当完善。

    二、表面微加工

    表面微加工的工艺过程是，用化学蒸发沉积法在基片上交互生成多晶硅层和二氧化硅层，在随后的每一层形成之前，在已生成的层面上用光刻法制成所需的图案，标出随后将要蚀刻掉的区域以制造出微型机械结构，然后将其浸入氢氟酸溶液中进行腐蚀，通过对掩膜层的钻蚀，可形成非常薄的机械结构，其尺寸偏差可控制在正负0.1微米左右。这种微型结构具有非常有用的机械和电特性。例如，当用一电压激发时，具有很小质量的微型悬臂梁将振荡得非常快，因此可以成为一种极为灵敏的运动探测器;横截面不到一微米的数以千计的电子梁可以移动细微的电子扫描头，这些电子扫描头能在一块微芯片大小的面积上读出足以存储一座图书馆信息的数据;微型阀门可以移动小到原子的物质或用作输送微升量级的液体:一系列的微型瓣膜可以在精确的时间间隔内将药输入血液中;一块芯片上的惯性制导系统可以准确地找出敌方战斗人员的阵地并将弹药精确地投向目标。