【微机械电子学系统】
到20世纪90年代止，用来生产VLSI微电路的许多材料和微加工技术，也可以用来生产微传感器和微执行器以及微机构。从IC工艺导引出来的生产微传感器、微执行器及微机构的新的工艺技术，又补充和发展了IC工艺，出现了生产新的微机械电子学系统方法。
自采用平面工艺生产IC以来，伴随着微加工技术的发展，人们一直在探索微机构的制造。已经历了从用单晶硅到兼用多晶硅等多种生产微电路用的材料，以及从分立元件到集成微机构的过程。20世纪60年代，人们用集成技术制成了谐振栅FET。80年代，微电路电子学已完善化。只用硅作机械材料的情况，已受到限制，于是开始把多晶硅等IC用的材料应用到微机械上来，设计和制造多晶硅谐振梁和在片MOS电路。在此基础上，相继制成集成的微机械元件，如栓接头和支承座、齿轮系、钳子、曲柄、滑块和弹簧等。制造微机械元件和微机械机构的微机械制造技术，是从微电路电子学的微加工技术移植过来的，并对其中的一些技术进行改造和引深。在发展微机械制造技术的同时，人们对多晶硅等机械材料的性质进行了研究，求得多晶硅的Young′s模量E和Poisson′s比v的关系E／(1－v)及热膨胀系数a。对各种材料的微机械性质进行研究的一种方法是利用高速放大的视频录相进行外观检测，另一种方法是X射线衍射。依此，提供了减小和消除多晶硅应变的方法。集成热电堆的变换原理与热电偶的相同，也是利用Seebeck效应。典型的结构是由n型外延层或阱中的若干条p型硅条组成的。这些硅条用铝条连接起来。热电堆的制造工艺完全与标准的双极和CMOS工艺相容，并且可用所谓的电化学控制腐蚀方法来增加热电堆传感器的灵敏度。为了提高灵敏度，用硅的微机械加工的方法使冷区和热区分开。通常有3种结构：(1)封闭膜片。在热和冷区之间具有最低热阻的一种结构是封闭的膜片，含有热电堆冷端的冷区是由围绕腐蚀膜片的厚片边缘形成的。这个边缘不仅用作散热器，也悬挂着腐蚀结构，作为机械保护，是处理传感器的通常方式。事实上，热区为热电堆热端的半径以内的膜片区。典型的热阻限于0．5×Rst，其中R，t为膜片的热方块阻值。对7μm厚的单晶硅膜片，Rst=1000kΩ／W。这种结构以低热阻、小时间常数、最高灵敏度为特点。(2)悬臂梁结构。悬臂梁的热阻由方块热阻乘以悬臂梁的长宽比给出。阻值可做得比封闭膜片的明显大，因为长宽比可做得远大于0．5，值为5并非异常，这种结构以中等热阻、中等时间常数和中等热电堆灵敏度为特征。(3)悬浮膜片。在这种结构中，膜片的一大片腐蚀面与边是自由的，只靠几个悬挂梁悬挂着，在悬挂梁中，热电堆测量浮膜片和处于环境温度的边之间的温度差。使用上述热电堆可以制造成：(1)真正的均方根转换器(利用封闭膜片结构)，测量交流信号的均方根值。(2)红外线传感器，由悬浮膜片结构制成。(3)集成热电堆真空传感器，使用悬臂梁和悬浮膜片结构。(4)流速传感器，如利用悬浮膜片制造了风速计等。已经有不少人讨论了微电动机的设计问题。这种微电动机基于静电驱动的原理设计制成。静电驱动靠在激励电极加简单的开关电压完成，容易用IC设计方法实现。使用微机械加工技术，设计了许多种静电驱动转动电动机，并且对制造工艺也进行多方探索。其中步进电动机需要大的起始转矩，小的摩擦力和精细角度分辨率。由电场施加在转子上的转矩，可利用存贮在电容上的能量
(C表示被驱动的两电极之间的电容，两电极上加的电压为V)推导出来。用转子角θ表示，转子转矩T为：
对于典型的微电动机尺寸和约100V的电压，每极的转矩值为几个PNm量级。静电驱动的效应是在转子电极与有效定子电极对准时使场能量大。转子和定子设计得使下一电极对激励到近似对准到每一步以后的最大转矩位置，确保对下一步有一大的起始转矩。步进电动机步进的大小是定子数n5和转子数nr的函数。以弧度表示，步进的大小H为：
H=2π(1／n5－1／nr) (2)由此，对于8转子电极的电动机，当角分辨率为24步时，只有6个定子电极是必须的。这种电动机制造的主要步骤为：在氧化物－氮化物复合层的顶上形成300nm厚的地平面，在这层被沉积以后，在片子上覆盖一层2．2μm的磷硅玻璃(PSG)，作为牺牲层，多晶硅－氮化物复合层被等离子腐蚀，形成转子和定子，接着淀积340nm的LPCVD氮化物，用反应离子腐蚀(RIE)，形成氮化物垫片。多晶硅上边的薄氧化物层，用作进行氮化物RIE离蚀时的保护层。
振动微机械结构，对各种传感器和执行器都是有用的。为了读出信号，人们可以利用机械谐振器的频率与各种物理或化学参数之间的关系，而这些参数影响它的位能和功能。已制造出读出压力、加速度和蒸汽浓度的微谐振结构，一个谐振驱动的例子是在手表中一个电子调谐音叉机械地耦合转动的机构Pisano。微结构的机械振动可用许多方法驱动。静电驱动与电容性检测结合，对硅微结构则是有吸引力的一种方法。因为它简单，且与微机械加工技术相容。目前报导的谐振结构已有几种，其中用微机械加工方法制造的一种静电梳状驱动结构，是以驱动和读出平行于衬底平面的多晶硅微结构的振动。从前述可见，利用集成的微加工技术，使用硅、多晶硅和氮化硅等制造VLSI的材料，能在一片硅片上，制造出各种微机构、微传感器和微执行器。同时，还能制造出在片驱动电路、信息处理电路等信息处理器。在微机械执行器领域，报导的工作也逐渐多起来，因为硅本身没有压电效应。因此，在把信号从电转换为机械范围时，必须加上使用淀积和键合技术的转换元件。具有集成电子电路的微机械硅执行器已有报导。集微电路、微传感器、微执行器及微机构于一体的微机械电子学系统已经崛起，成为今天微电子学的一个重要分支。微机械电子学系统的重要目标之一，就是单块微机器人。它潜在地影响着生物学、加工装置、机器人、工程控制和制导等各种各样的工程设计，向许多学科的电的、机械的和材料的工程师以及物理学家、化学家和生物学家提出了挑战。(辽宁大学孙彦卿、石广元撰)