微系统技术

电子科学与技术学术语

微系统技术，简称MST，它的基本工艺技术是硅的腐蚀和键合。

技术参考

MST的前景是壮观的，其工艺是从集成电路加工派生出的批量加工技术。预期，MST将会同集成电路一样，通过新的而且便宜的产品来改变人们的生活。MST的潜在应用包括汽车里的压力传感器和加速度计，也包括流量传感器、温度传感器、力传感器、位置传感器、磁场传感器、化学传感器、光传感器、红外辐射产传感器等，MST不但便宜，而且具有独特的性能。我们认为，下一代的器件将使用微泵、流量传感器、微混合器、微筛、微反应器等，在医药、过程控制、化学分析等领域应用在生物、化学和生化分析系统中。再向未来做进一步展望，微型机器人将应用在电荷耦合器件（CCD）照相机中，对CCD芯片的位置做主动的优化；也可以应用在CD设置中，用来定位光学元件；还可以帮助外科医生做手术；可以维修其它微系统；微机器人能够在超净间执行操作和检修任务。以上列出了最近几十年内MST的一些可能应用，有许多可能没有列出，因为MST的发展在很大程度上具有不可预料性。

发展

在微系统技术微系统技术的发展历史上，集成电路（IC）是技术的起点。电子器件小型化和多功能信成是微加工技术的推动力。如果没有微加工和小型化技术的迅猛发展，许多今天看来理所当然的科学和工程成就都不可能实现。

微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到20世纪80年代。在这段萌芽时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究。例如，开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。

在微系统技术的研发时期，涌现出了一些具有重要意义的研究成果。1967年，Westinghouse公司发明了一种谐振栅晶体管（RGT）。它与传统的晶体管不同，RGT的电栅极不是固定在栅氧化层上，而是相对硅衬底可动。由静电力控制栅电极和衬底之间的间距。RGT是静电微执行器的最早实例。

佳能公司最早开发了基于热气泡技术的喷墨打印技术，而惠普公司在1978年首先发明了基于硅微机械加工技术的喷墨打印机喷嘴。喷嘴阵列喷射出热气泡膨胀所需液体体积大小的墨滴。气泡破裂又将墨汁吸入到存放墨汁的空腔中，为下一次喷墨做准备。通过滴入红、蓝、黄三种基本色实现彩色打印。

在20世纪80年代后期，在微机械技术这个新领域的研究者主要是研究硅的应用——单晶硅衬底或者多晶硅薄膜。多晶硅薄膜技术的应用产生了一些表面微机械加工的机械结构，如弹簧、传动机械和曲柄等。

20世纪90年代，全世界的微系统技术研究进入一个突飞猛进、日新月异的发展阶段。非常成功的例子有美国Analog Devices（模拟器件）公司生产的用于汽车安全气囊系统的集成惯性传感器，以及美国Texas Instruments（德州仪器）公司用于投影显示的数字光处理芯片。

相对于宏观的机电传感器，微系统技术技术带来了两个重要的优点，即高灵敏度和低噪声。同时，由于微系统技术技术采用批量生产，而不是采用手工组装的方式，有效地降低了传感器的使用成本

20世纪90年代后期，光微系统技术发展迅速。世界各地的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器，相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等应用领域。

生物微系统技术包括生物学研究、医疗诊断和临床介入等方面的微系统技术研究和应用。由于生物微系统技术结构和器件的尺寸大小、集成功能多，它们已经在一些医疗方面得到应用，例如视网膜植入，耳蜗植入、嵌入生理传感器以及含有传感器的智能手术工具等。

构成

微系统的构成：一个完整的微系统由传感器模块、执行元件模块、信号处理模块、外部环境接口模块以及定位机构、支撑机构、工具等机械结构等部分构成。

传感器模块

微系统技术与常规技术相比较，明显的差异在于传感器技术方面。微系统对传感器的可靠性有了越来越高的要求，同时要求传感器有很高的准确性、敏感性、选择性、寿命和与长时间工作漂移有关的稳定性。化学传感器和生物传感器还必须不受妨碍地暴露在未知的介质中，同时要避免虚假信号的影响。微系统技术中传感器的研究重点是微处理器控制的传感器阵列信号的数字化处理。通过统计方法求平均值，或者对信号进行分级采样，测量系统的质量和动态特性得到了改善。

执行元件模块

微系统的第二个功能模块由一个或多个执行元件构成。在原理上执行元件与传感器是相对应的，传感器将输入的物理或化学参数转换为电或光信号输出，执行元件将输入的电、光或热信号转换成力、转距、位移和相位等物理参数输出。

信号处理模块

微系统的第三个功能模块是信号处理，数据处理任务即对信号进行各种形式的处理。从传感器阵列得到的实验数据流必须进行并行处理，只有经过处理的数据才可以用于控制执行元件，或者需要通过接口传送到外部。

接口模块

接口的功能是实现微系统与外部世界的联系，接口主要包括连接到外部宏观世界和从宏观世界连接到微系统的接口。微系统不仅要与宏观世界交换数据和信息，还要交换物理参数，例如与外部热能、光能、机械能和流体压力能的耦合连接。而微电子学接口仅限于处理电信号，相对来说实现为简单而且非常稳定。

特点

我们必须解决很多问题，这些问题是与工艺的控制相关的，我们必须掌握如何设计微系统，必须开发使用与微系统的设计、模拟和仿真工具。随着系统尺寸的缩小，我们正面临许多物理和化学上的新问题。我们必须把三维上的尺寸、原理、设计和工艺转化成平面的，或2.5维的原理、设计和工艺。

微观世界与宏观世界有很大的差别。微观世界中，表面力起到了主要作用，例如表面张力和表面摩擦力等。只有在特殊场合。惯性力和质量对微系统才有意义，如加速度计和重力传感器，而静电力和流量剪切力将使机械机构产生严重的变形。流量具有非常小的雷诺数，所以所有的流量都相当黏滞。在微米级系统中表面看起来非常粗糙，但机械结构却非常硬和结实，周围的温度将由于强烈的Brownian移动而发生变化。

举个例子，蚂蚁不会洗脸，为什么呢？因为水滴的表面张力太大，蚂蚁克服不了，如果蚂蚁被裹在水滴里，它也没办法离开。

微系统技术是以两种截然不同的传统技术为基础的，一种是机械方法，另一种是微电子光刻工艺。光刻工艺能够制作出1微米量级的部件。

硅片的各向异性湿法腐蚀是硅片微机械加工的重要技术之一。与“表面微机械加工”不同，表面微机械加工所对应的结构由薄膜构成，可在不影响材料的情况下，由同种材料薄膜释放形成。各向异性湿法腐蚀被认为是“微机械加工”，因其可腐蚀硅片的体结构。

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