1.2 微机电系统的材料和微加工技术

微机电系统的材料与微加工技术是微机电系统技术的主要组成部分。微机电系统技术发源于微电子技术，其材料仍以硅为主，主要加工技术则借用了半导体集成电路工艺。不过，由于微机电系统的应用涉及多个领域，其材料与加工手段要比集成电路丰富得多。

微机电系统所用的材料可以分为结构材料和功能材料两种。结构材料是指具有一定机械强度，用于构造微机电系统器件结构基体的材料；功能材料是指压电材料、光敏材料等具有一定功能的材料。

目前研制生产MEMS的衬底材料仍然主要是硅，但也有公司使用石英玻璃、陶瓷、聚合物。硅的抗拉强度为7×109N/m2，比不锈钢高3倍多，是高强度钢的1.7倍。它的努氏硬度为8.3×109N/m2，比高硬度钢低一半，比不锈钢高1/3，与石英（SiO2）接近，比铬（9.1×109N/m2）略小一点儿，而几乎是镍（5.4×109N/m2）、铁、普通玻璃（5.2×109N/m2）的两倍。硅的弹性模量为1.9×1011N/m2，与钢、铁、不锈钢接近。

单晶硅的机械品质因数高，滞后和蠕变极小，因而机械稳定性极好。多晶硅是由许多排列和取向无序的单晶颗粒构成的，它一般通过薄膜工艺制作在衬底上，机械性能与单晶硅相近，但性能受工艺影响较大。硅的导热性较好，硅材料还有多种传感特性。因此，硅是一种十分优良的微机电系统结构材料。

功能材料是一类有能量变换能力的材料，可以实现敏感和制动（actuation，也称执行）功能，可应用在执行器中。各种压电材料、光敏材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料、电流变体、气敏和生物敏等多种材料也是目前微机电系统所使用的重要功能材料。

微机械加工是制作微机电系统的工艺基础，如果没有相应的工艺手段，微机电系统的实现就只能是纸上谈兵。因此在微机电系统设计中，需要首先考虑微加工工艺的可行性。当加工工艺与微系统功能之间存在矛盾时，往往是牺牲微系统功能，修改结构设计来保证微系统能够用可获得的工艺条件制作出来。

微机械加工技术的主要类型有：以光刻、化学腐蚀为主要工艺手段的硅基结构体微加工和表面微加工；以X光深光刻、电铸制模和注模复制为主要工艺手段（LIGA工艺）的非硅结构加工；以激光、超精密切削为主要工艺手段的精密机械加工。这里主要对体微加工、表面微加工和LIGA技术进行介绍，同时对精密机械加工等其他加工手段做简单介绍。

1．体微加工技术

对硅材料的深腐蚀和对硅片整体的键合统称为体微加工。它是选择去除硅衬底，形成微机械元件的一种工艺。体微加工技术是制造微机电系统的重要工艺技术，通过对硅衬底内部进行腐蚀得到在衬底内部所要求的结构，目的是从硅衬底上有选择性地通过腐蚀的办法除去大量的材料，从而实现所需的悬空结构、模片和沟、槽等。

图1−2−1所示为体微加工工艺流程图。体微加工技术的优点是获得的结构几何尺寸较大（相应的质量大），机械性能好；缺点是与集成电路工艺不易兼容。

2．表面微加工技术

表面微加工技术现在仍然是制造微机电系统的重要工艺技术之一。它是一种将微机械器件完全制作在衬底晶片表面而不穿透晶片表面的一种制作技术。这种方法采用了大量与集成电路兼容的材料和工艺，便于集成和批量生产。利用表面微加工技术，可以制作出脱离基片表面而悬空固定的悬臂结构或薄膜。图1−2−2所示为利用表面加工工艺来加工一个悬臂梁的加工工艺流程示意图。

利用表面微机械加工技术可以把器件做得很小，比硅体微机械加工实现的器件尺寸小很多，且不影响器件特性。表面微加工技术形成的层状结构特点为微器件设计提供了较大的灵活性。体微加工中，在中心轴上加工转子是不可能的，而采用键合又会使工艺变得非常复杂，而表面微加工就可以实现微小可动部件的加工。表面微机械加工的缺点是这种技术本身属于二维平面工艺，它限制着设计的灵活性。

3．LIGA技术

LIGA一词来源于德语光刻（Lthographie）—电铸（Galanoformung）—注塑（Abformung）三个单词的缩写。LIGA技术是在20世纪80年代创立于德国卡斯鲁厄的核研究中心，是为了制造微喷嘴而开发出来的加工技术。

LIGA技术是一种基于X射线光刻技术的综合性加工技术（图1−2−3），主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其他微制造技术所无法实现的。

由于LIGA技术需要极其昂贵的X射线光源和制作复杂的掩膜板，其工艺成本非常高，这也限制了该技术在工业上的推广应用。于是出现了一类应用低成本光刻光源和（或）掩膜制造工艺而制造性能与 LIGA技术相当的新的加工技术，通称为准 LIGA 技术或 LIGA-like技术。例如，用紫外光源曝光的UV−LIGA技术，准分子激光光源的Laser−LIGA技术和用微细电火花加工技术制作掩膜的MicroEDM−LIGA技术，用DRIE工艺制作掩膜的DEM技术，等等。其中，以SU−8光刻胶为光敏材料，紫外光为曝光源的UV−LIGA技术因有诸多优点而被广泛采用。图1−2−4所示为采用LIGA技术加工的产品。

4．其他微加工技术

由于微机电系统器件和结构的复杂性，使得对加工工艺的要求千变万化，前面介绍的微加工技术还不能完全满足加工需求。因此，世界各国都在发展各种新的微加工技术，这也包括将传统的加工技术改造用于微加工，如电火花加工技术、超精密加工技术、激光精细加工等。图1−2−5所示为电火花加工的人脸轮廓。