MEMS技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用優(yōu)勢

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)展以及國外對MEMS陀螺儀、MEMS加速度計的研究和發(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。

引言

新興的微米與納米技術(shù)正在派生出一門新興學(xué)科叫微工程，它專門研究具有納米、微米和毫米尺寸的實體結(jié)構(gòu)的三維小型傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計、材料合成、微機(jī)械加工、組裝、總裝和封裝。利用這項技術(shù)可以把傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及信號和數(shù)據(jù)處理器做在同塊芯片上，構(gòu)成件微型儀表。目前，研究和開發(fā)微納米級的微機(jī)電系統(tǒng)和專用微型儀表(ASIM),包括微納米傳感器、傳動件、執(zhí)行器以及智能材料等已成為熱門課題。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、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)時代將伴隨而來。MEMS技術(shù)的發(fā)展，為未來飛航導(dǎo)彈等高端航天航空飛行器的設(shè)計提供很大的發(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、抗振動沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時，在微米量級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)電加速度計及微壓力計等在內(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)境要求高的場合。

2)MEMS壓力傳感器

微機(jī)電壓力傳感器是最早開始研制、最早開始產(chǎn)業(yè)化的MEMS產(chǎn)品。從信號檢測方式來看，微機(jī)械壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，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)字信號輸出，抗干擾能力強(qiáng)，分辨力和測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。并且將敏感元件與信號調(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

運(yùn)動載體的線運(yùn)動加速度是通過加速度傳感器測量的，硅微加速度傳感器是繼微壓力傳感器之后第二個進(jìn)入市場的MEMS傳感器。其主要類型有壓阻式、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。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加速度計精度在國外已達(dá)到100ug以內(nèi)。

4)MEMS陀螺儀

飛行器飛行姿態(tài)運(yùn)動是用陀螺儀來進(jìn)行測量的。傳統(tǒng)的陀螺儀是利用高速轉(zhuǎn)動的物體具有保持其角動量的特性來測量角速度。常見的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)、振動環(huán)結(jié)構(gòu)等，通過被激勵的振動體對哥氏加速度的敏感來測量角速度。1988年，美國德雷伯實驗室研制出第一臺框架式角振動微機(jī)電陀螺儀，1993年又研制出性能更好的音叉式線振動陀螺儀。影響其應(yīng)用的主要問題是精度限制，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慢的多，比高次方的力相對增大;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系統(tǒng)性能起主導(dǎo)影響作用的因素.微構(gòu)件相對運(yùn)動時，表面摩擦力、潤滑膜粘滯力表現(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，需要基于微流體動態(tài)測試平臺進(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，并開發(fā)出一些測試儀器或系統(tǒng)對微尺度理論體系進(jìn)行完善，但尚不系統(tǒng)化，有待于進(jìn)一步對微結(jié)構(gòu)學(xué)、微動力學(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加速度計發(fā)展現(xiàn)狀

美國ADI公司最早實現(xiàn)加速度計結(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)的硅加速度計出售至今，以ADXI5O為代表的微慣性器件全球銷量已超過l億件。其器件不斷朝高性能、小體積方向發(fā)展，此類加速度計主要針對工業(yè)傳感領(lǐng)域，如汽車氣囊的彈射觸發(fā)等.ADI公司微加速度計的性能發(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的研制，成品為ADXL203雙軸硅微加速度計，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，芯片見圖1。3個分離的檢測質(zhì)量為2um厚的多晶硅，其檢測電路包括約1000個晶體管。另外，伯克利分校還報道了一種采用單質(zhì)量塊實現(xiàn)的三軸加速度計,Litton SiACTM硅加速度計為其典型的代表，量程超過100g,零偏優(yōu)于20ug,標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性優(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。此類加速度計針對導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域如小型無人機(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。

LN-200 1MU采用SiACTM微機(jī)械加速度計，自1994年來一直高產(chǎn)。LN-200已廣泛用于空間姿態(tài)穩(wěn)定、導(dǎo)彈制導(dǎo)、雷達(dá)穩(wěn)定裝置等。已成功地應(yīng)用于AGM-142空地導(dǎo)彈、BQM-74E亞聲速靶機(jī)、蘭天機(jī)載吊倉式光電系統(tǒng)、全球鷹無人機(jī)及先進(jìn)中距空空導(dǎo)彈等武器平合上。

德國Litef公司B-290硅加速度計如圖2所示，擺片采用4次雙面掩膜，面積為6mm x 6mm，在KOH溶液中控制硅片刻蝕時間，電路采用脈沖調(diào)寬、數(shù)字輸出、閉環(huán)控制方案。量程為10g，標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性達(dá)到3x10的-4次方，偏置穩(wěn)定性為250ug，B-290硅加速度計已經(jīng)于1995年與光纖陀螺組合成1MU。

2.3 MEMS陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀

硅微陀螺儀是以微機(jī)械工藝為基礎(chǔ)制作的慣性儀表，與傳統(tǒng)慣性元件相比，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、成本低、易集成、抗過載能力強(qiáng)和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。

微機(jī)械陀螺的研究始于20世紀(jì)80年代.1985年，Drape實驗室首先開始研制微機(jī)械陀螺，先后采用框架式角振動方案、音叉式線振動方案及振動輪式方案。

2002年，ADI公司研制成功世界上第1個單片集成的商用陀螺儀產(chǎn)品ADXRS，它將敏感質(zhì)量塊限制在多品硅框架內(nèi)，使其只能沿個方向振動。檢測電極用來檢測由哥氏力引起的振動位移.該芯片同時將檢側(cè)電路與敏感結(jié)構(gòu)集成在一起，一方面大大減少了嗓聲信號的影響，同時減小了芯片的體積和功耗，此類陀螺儀主耍針對工業(yè)傳感領(lǐng)域。加州大學(xué)伯克利分校于20世紀(jì)90年代中期率先開始研究雙輸入軸微機(jī)械陀螺儀.初期研制的陀螺儀檢測質(zhì)量塊為直徑300um，厚2um的多晶硅圓盤。支撐件為4根由圓盤外側(cè)向外延伸的彈性梁。圓盤周圍有12對梳齒，分別作靜電驅(qū)動和驅(qū)動檢測之用。該陀螺儀采用表面微加工工藝加工。與超大規(guī)模集成電路工藝兼容。在7.89Pa的真空環(huán)境下，該陀螺儀驅(qū)動模態(tài)品質(zhì)因數(shù)為960。開環(huán)試臉表明，當(dāng)驅(qū)動模態(tài)與檢測模態(tài)的自然頻率相差1.4%時，隨機(jī)游走為10 P/h。經(jīng)改進(jìn)的陀螺儀由Sandia國家實驗室加工。目前已與Z軸陀螺儀和三軸加速度計一起構(gòu)成單片IMU。

采用和IC工藝兼容的MEMS工藝，實現(xiàn)的六自由度慣性傳感器系統(tǒng)如圖3所示，最大尺寸方向小于10mm。加速度計分辨率小于1mg,陀螺儀分辨率小于1P/s。由于實現(xiàn)了單片集成，有效減小體積、功耗，同時降低成本。

針對導(dǎo)航和制導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用要求，Litton公司于1996年開始微機(jī)械陀螺儀SiCyTM的研制，2003年SiCyTM實現(xiàn)1P/h-10P/h，用于LN-3001MU。噴氣推進(jìn)實驗室研制的四葉式硅陀螺，采用體加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工,最后經(jīng)微組裝工藝裝配。體積為73.8 立方cm，功耗1w，2002年中期時零偏穩(wěn)定性已達(dá)到1P/h,目標(biāo)是應(yīng)用于微小衛(wèi)星的導(dǎo)航控制。

同時日本、澳大利亞、加拿大等國家部開展了基于MEMS慣性儀表技術(shù)的研究工作。

3 MEMS應(yīng)用優(yōu)勢

MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特點(diǎn)突出，應(yīng)用前景良好.主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1)體積越來越小，精度越來越高，設(shè)計方案呈多樣化。

例如MEMS陀螺先后經(jīng)歷振動框架式、諧振音叉式、振動輪式、振環(huán)陀螺、四葉式等形式，陀螺漂移10 P/h.硅微加速度計先后經(jīng)歷叉指式、三明治式、諧振梁式等技術(shù)方案，零偏和標(biāo)度因素由10 mg達(dá)到2005年的20ug. ADI公司成功研制的微小型雙軸加速度計體積僅為5 mm x 5 mm x l .45 mm,質(zhì)量小于Ig。硅微陀螺ADXRS系列產(chǎn)品尺寸為7mm x 7mm x 3mm,質(zhì)量小于1g。技術(shù)方案的不斷創(chuàng)新，從工作機(jī)理上減少了誤差源，提高了精度。

2) 工藝和封裝技術(shù)日趨成熟

MEMS藝主要包括:面加工技術(shù)，體加工技術(shù)，基于絕緣基體硅工藝等等。面加工技術(shù)主要是基片上淀積或生長多晶硅層來制造微機(jī)械結(jié)鉤。體加工技術(shù)的基礎(chǔ)是單晶硅刻蝕技術(shù)，中間層的硅微機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)過多次掩膜、雙面光刻以及各向異性刻蝕而成，然后與上下層精密鍵合成一個整體。S01工藝結(jié)合前兩者的優(yōu)勢，它可以得到高質(zhì)量的單品硅獨(dú)立結(jié)構(gòu)，同時保留面加工。具有尺寸小、與IC工藝兼容、價格低的批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)。目前，上述3類工藝工序操作和控制都得到了發(fā)展和提高，完善了微敏感結(jié)構(gòu)工藝工序的膜厚、線寬以及內(nèi)應(yīng)力的檢測，微結(jié)構(gòu)高深寬比的三維尺寸加工精度能夠得到較好的保證，全硅敏感結(jié)構(gòu)工藝正在開發(fā)和完善。

3) 工程應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成功案例越來越多。

MEMS技術(shù)正在不斷融合，向提高精度、數(shù)字化、高可靠性方向發(fā)展，成功的應(yīng)用案例非常多。例如，ADM公司研制的表面工藝的MEMS慣性器件大量應(yīng)用于民用和工業(yè)傳感領(lǐng)域，產(chǎn)品銷量己經(jīng)達(dá)到幾億只，每只售價僅幾十美元?？蓮V泛用于姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)以及短距離的戰(zhàn)術(shù)武器制導(dǎo)，還可以和全球定位系統(tǒng)(GPS)組合構(gòu)成導(dǎo)航系統(tǒng)，如Litton公司研制的體硅工藝的MEMS慣性器件LN300已經(jīng)裝備15000套。

4)為冗余控制、精確控制設(shè)計與實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)飛行器上的控制系統(tǒng)姿態(tài)敏感和調(diào)控設(shè)備因為體積大，能耗大，多設(shè)備冗余設(shè)計只能通過增大飛行器體積，犧牲飛行器速度或有效航程為代價:慣導(dǎo)、陀操儀、加速度計等姿態(tài)測量器件也不可能在飛行器上大范圍內(nèi)布放。MEMS為基礎(chǔ)的器件則不同，因為體積、質(zhì)量、能耗、精度各方面的綜合性能優(yōu)越，為其在飛行載體上的大量使用奠定了基礎(chǔ)，飛行器上控制系統(tǒng)實現(xiàn)二級冗余、三級冗余乃至N級獨(dú)立的冗余控制方案的設(shè)計和實現(xiàn)提供了現(xiàn)實基礎(chǔ);還可以通過多點(diǎn)布放，將飛行器姿態(tài)的測量由傳統(tǒng)的局限式的點(diǎn)式測量，可以拓展到網(wǎng)絡(luò)式的面基測量或三維體式測量，為探索和應(yīng)用新的測量方法，提高測量精度提供了有力的支撐。