中国微纳制造研究进展

万方数据　万方数据４机械工程学报第４４卷第１１期问题的作用（图３），对解决ＭＥＭＳ梁粘附问题有很好作用。

研究为今后ＤＬＣ膜在ＭＥＭＳ的广泛应用提供了参考依据。

（ａ）无ＤＬＣ膜Ｃｏ）ＤＬＣ膜图３多晶硅悬臂梁阵列粘附情况扫描电镜图１．３典型微流体器件输运特性微流体器件是微纳系统重要分支，当流体通道小至一定程度，其机理和外在表现与宏观流体有许多差异。

近年来微流体己成为基础研究的热点。

我国开展微流体方面研究的单位主要有清华大学、中科院力学所、中国科技大学、浙江大学以及大连理工大学［１４以６】等。

中科院力学所对微米尺度的通道内流体流动特性进行了深入试验研究，发现高压条件下３～１０岫直径的微管道液体流动出现偏离Ｈａｇｅｎ．Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流动规律的倾向，认为压力对液体粘性的影响是主要因素。

提出了量纲一阻力系数和流量的修正公式，并将微尺度流动引入流体力学参量的试验测量，提出了微量液体粘度仪的设计思想。

浙江大学针对微流体全流场测试需求，结合国内装备，发展了短波段滤光技术，建立ＭｉｃｒｏＰＩＶ测试设备，用于测量１０ｌｘｍ以上管道内流体流动特性。

大连理工大学针对微流控电泳芯片，对片上电泳微流体输运现象进行了研究：结合有限体积法、贴体网格生成和高阶界面离散等方法，建立能计算多尺度和多物理场耦合的微流体计算平台，对复杂通道内电泳分离进行了数值计算。

建立微流体动态测试平台，分析了测试平台主要技术指标和性能，利用该平台，可进行微流体扩散、电泳分离控制、电渗流测量等微流体试验。

１．４拓扑优化技术在微纳结构设计中的应用在结构型微纳器件的设计中，拓扑优化为微结构中的材料分布的确定提供了一个很好解决思路，针对连续体结构拓扑优化中出现的棋盘格式问题，大连理工大学提出了一种变节点密度法，并将该方法应用于柔性微结构的拓扑优化设计１１７－１８１０完成了用于微装配的电热驱动微夹钳的结构概念设计，得到了多种新的一体化的ＭＥＭＳ尺度电热微夹钳，见图４ａ、４ｂ。

１．５微传热学的研究进展在微尺度领域，特征尺寸的不断减小，带来了不少新的理论和技术问题，微尺度传热学就是其中之一。

微尺度传热学与“介观”物理、“细观”力（ｂ）微夹钳结构之二图４电热微夹钳及其电铸结构学、纳米材料科学等一起，逐渐形成了微尺度理论的体系。

近年来，对微尺度传热学（含声子传热学），以清华大学、大连理工大学、浙江大学等为代表的研究单位，从理论建模、计算机数值模拟、声、热、力耦合以及试验技术等方面进行了研究和探索【ｌ弘２０】，对毛细微槽内三维流动相变强化传热机理、微通道内低速气体流动传热的ＤＳＭＣ．ＮＳ耦合算法、微／纳尺度孔隙结构内传热传质机理、采用热边界层中断概念强化硅基微通道传热、两相岐管式微通道的均热热沉气液两相流流动与传热特性、微ＰＣＲ芯片中的传热、多孔支撑微结构中反应气的传热特性等进行了深入研究，发现了很多微槽、微孔、微型热管、微型毛细泵环、微器件和微系统等的内部传热特性和规律，对设计优化各种微机电系统有很重要的指导意义。

１．６微测试方法和装置的研究进展微测试方法和装置的研究进展如下所述。

（１）微构件材料拉伸性能测试系统。

清华大学吴昊等［２１设计并建成了微构件材料拉伸性能测试系统，如图５所示。

该系统指标如下表。

图５微构件材料拉伸性能测试系统　万方数据２００８年１１月王啻：鼎等：中国微纳制造研究进展５表微构件材料拉伸性能测试系统指标性能指标数值伸缩量ｂ／ｂＬｍ分辨率，，ｎｍ测量精度ｐ／ｎｍ加载频率．／ｎ－ｌｚ光学放大倍数用Ｉ屏幕放大倍数ｍ２～３１０２５～５６０４０２３００（２）单晶硅微构件弯曲疲劳性能片上测试芯片系统。

清华大学苏才钩等‘８１所设计的弯曲疲劳片上测试系统利用比较成熟的ＭＥＭＳ驱动器——静电梳状驱动器（图６、７）作为驱动单元，以梳状驱动器可动极板的某个支撑梁作为测试单元。

图８试制的芯片式微摩擦试验仪结构示意图图６静电梳状驱动器结构示意图图７集驱动和试件于一体的“片上”测试结构（３）芯片式微摩擦试验仪。

清华大学摩擦学国家重点实验室在微马达、微齿轮和微开关等微机电器件中，发现摩擦和磨损的部位大多数是在结构的侧面或背面，用原子力显微镜或球盘试验机等常规的试验仪器很难模拟这些部位的摩擦和磨损行为。

为此，设计和研制了一种能够模拟和测试微机电系统侧表面摩擦磨损的芯片式试验仪，并进行了静、动摩擦因数的测试。

所设计的：卷片式微摩擦试验仪如图８、９所示。

该试验仪由驱动部分、预紧部分、测试部分以及标定部分等组成。

图９接触部位的扫描电镜照片２微系统设计与加工工艺研究进展近年来我国科技部、教育部、国防科工委等部委在微纳系统关键设计与加工技术装备上持续投入，在我国形成了几个ＭＥＭＳ研究力量比较集中的地区。

并且突破了若干关键技术，加工能力和成品率得到很大的提高，为国内微纳系统研发提供了良好的服务平台。

微系统设计与加工工艺研究方面主要取得了以下进展。

２．１设计方法东南大学、北京大学和西北工业大学针对目前商用ＭＥＭＳ设计软件中的制造模块的不足，重点开展了工艺模型建模、模拟与验证、工艺与封装材料特性数据库等方面的研剜２１‘２５１。

开发出ＭＥＭＳ表面加工模型模拟与ＩＰ库、ＩＣＰ加工模型模拟与ＩＰ库、热键合技术模型模拟与ＩＰ库、静电技术模型模拟与ＩＰ库、封装材料特性测试及数据库等，并将测试结构ＩＰ库、ＩＣＰ加工ＩＰ库集成到了ＩＮＴＥＬＬＩＳＵＩＴＥ软件，同时将ＩＣＰ加工ＩＰ库、硅各向异性腐蚀ＩＰ库、表面加工ＩＰ库、静电键合ＩＰ库集成到自行开发的集成设计平台中。

２．２硅基ＭＥＭＳ制造工艺通过在中科院上海微系统所、北京大学、中电科　万方数据６机械工程学报第４４卷第１１期技集团１３所、中电科技集团２４所和中电科技集团５５所重点建立５个ＭＥＭＳ加工平台【２１】，解决了ＭＥＭＳ表面微机械加工技术、体硅微机械加工技术、键合技术、低应力多层薄膜淀积技术以及互补性氧化金属半导体（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌ—ｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，ＣＭＯＳ）ＭＥＭＳ加工的主要技术问题，提高了加工工艺的重复性、一致性。

基本形成了ＭＥＭＳ分类制造平台，为国内４０多个ＭＥＭＳ研发单位提供加工服务１００余批次，对提高我国ＭＥＭＳ的研究与开发水平，促进产业化进程，发挥了重要的作用。

工艺流程及规范在网上发布，初步解决了ＭＥＭＳ集成化关键技术。

２．３非硅ＭＥＭＳ制造工艺开展了紫外光刻电铸（Ｕｈｒａｖｉｏｌｅｔ．１ｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ，ｇａｌａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ和ａｂｆｏｒｍｕｎｇ，ＵＶ—ＬＩＧＡ）、聚合物微结构热压成形、激光微加工及交叉融合的非硅ＭＥＭＳ加工技术的研列趵也圳。

大连理工大学、北京航空航天大学和北京工业大学等单位联合研制成功具有自主知识产权的聚合物微流控芯片通道成形与自动对准装配系统，如图１０所示。

针对热压成形金属模具的需求，在改进ＵＶ．ＬＩＧＡ工艺的基础上，自行研制开发了金属微模具的“无背板生长法”工艺。

通过大量热压键合试验研究，开发出了聚合物微流控芯片热压键合工艺。

针对微流控芯片加工的要求，应用激光微加工进行芯片储液池通孔、芯片标记与修边等加工。

建立了微流控芯片统一的质量检测方法和质量管理体系。

建立了微流控芯片的制作精度的等级和标准。

所制备的微流控芯片片内不一致性小于５％，片间不一致性小于８％，符合生化分析的要求，如图１ｌ所示。

图１０微流控芯片通道成形与自动对准装酉己系统上海交通大学研究了ＵＶ—ＬＩＧＡ和深刻蚀电铸（Ｄｅｅｐｅｔｃｈｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇｍｉｃｒｏｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＤＥＭ）技术的标准加工工艺，解决了Ｘ．射线掩膜制备、ＳＵ．８台阶微结构制备、硅深层刻蚀与电铸工艺结合等关键技术，开发出多层复杂金属三维微结构加工工艺。

光刻胶深宽比达到２０：１，金属微结构深宽比达到１５：ｌ，复制的塑料微结构深宽比达到１０：ｌ。

利用ＤＥＭ工艺制备的金属微器件如图１２所示。

（８）模具（ｂ）芯片图１１金属热压微模具与聚合物微流控芯片图１２利用ＤＥＭ工艺制备的金属微齿轮厦门大学开展了约束刻蚀剂层技术（Ｃｏｎｆｉｎｅｄｅｔｃｈａｎｔｌａｙｅｒｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ＣＥＬＴ）的研究工作，它通过电化学方法和ＩＣ工艺相结合，不仅适用于导体，也适用于半导体和绝缘体的复杂三维立体结构加工，已成功地在Ｓｉ、ＧａＡｓ、Ｃｕ等材料上加工出复杂三维立体结构。

用ＣＥＬＴ技术在ＧａＡｓ表面上刻蚀出的与模板互补的精细结构图形如图１３所示。

图１３用ＣＥＬＴ技术获得的ＧａＡｓ三维微结构３微纳器件与微纳系统的研究进展３．１物理量微传感器物理量传感器在武器装备、石油化工、汽车等　万方数据２００８年１１月王立鼎等：中国微纳制造研究进展７领域有广泛需求，而许多应用场合要求传感器体积小，灵敏度高，能工作在恶劣的高温、高湿、高冲击环境中，与传统传感器结构相比，采用微纳技术制造的物理量微传感器更容易满足上述需求。

我国重点开展了压力微传感器、惯性微传感器和微流体传感器等方面研究［３０－３４】。

西安交通大学利用单晶硅压阻效应，研制出系列化耐瞬时高温冲击高温压力传感器、硅杯结构耐高温压力传感器和电容式差压传感器（图１４），并实现了小批量生产，在胜利油田等３０多家应用近万只；上海飞恩公司等单位联合研制出一系列用于监测汽车运行状态的传感器（图１５），部分器件在奇瑞汽车上进行了整车测试和台架测试；清华大学研制的铁电微麦克风和超声频段声传感器达到实用化（图１６），并实现了小批量生产和应用示范。

图１４压力微传感器图１５汽车用ＭＥＭＳ传感器图图１６微麦克风气象传感器及其便携式仪器、电场传感器在环境检测方面有广阔的应用前景。

东南大学采用ＣＭＯＳ工艺和ＭＥＭＳ后处理技术，研制出３０套便携式气象检测仪（图１７），包括风速、风向、温度、湿度和气压微传感器等芯片；中科院电子所研制出’静电梳齿式和热激励式微型电场传感器，实现了较低电压下的大振幅振动测定，并已在探空系统中试用【１１。

上海微系统研究所等单位，对微加速度计进行了研究（图１８）。

开发了基于微加速度计原理的地震图１７气象检测微系统图１８加速度微传感器勘探检波器，与石油勘探部门联合进行多次野外试验，在精细勘探方面具有良好的应用前景。

另外，上海微系统研究所研制的高冲击微加速度传感器，其阻尼特性、频响和抗冲击也均达到实用化程度，在武器系统应用上取得突破，对加快我国武器装备更新换代具有重要意义。

３．２微执行器件与系统对微执行器的研究是微纳系统的重要方向【雏４１】，它涵盖了微射频器件、微机器人、微飞行器、微流体驱动器件和微光学器件等。

微射频器件在军事和民用方面有着巨大潜力。

清华大学制作了螺旋式射频（Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ＲＦ）ＭＥＭＳ开关和斜拉梁式ＲＦＭＥＭＳ开关，有效降低了开关的“关”态谐振频率；中国科学院电子学研究所研制了高电容率的电容式ＲＦＭＥＭＳ开关，利用在绝缘层上覆盖金属板技术，降低“开”状态电容值，提高了ＲＦＭＥＭＳ开关电容率。