微机械

微机械（Mikromechanik）是微系统技术的一个分支，主要涉及尺寸在几微米（µm）至数百微米之间的机械元件的设计、制造与应用。微机械元件可分为简单结构（如格栅、孔、沟槽）、传感器、执行器（如继电器、开关、阀门、泵）以及微系统（如微电机、打印头）。其制造工艺沿用了集成电路（微芯片）的生产技术（如电镀、刻蚀、激光技术），同时也利用了光刻、薄膜技术、丝网印刷和LIGA技术。利用获得专利的RMPD技术（Rapid Micro Product Development），可以在无需模具的情况下直接制造微机械塑料部件。

体硅微加工

通过对硅晶圆进行单面或双面刻蚀，可以制造出悬空的机械结构。该工艺利用硅在碱性溶液（通常为氢氧化钾即KOH溶液）中刻蚀速率与晶体取向相关的特性，通常被称为各向异性湿法刻蚀。刻蚀过程的各向异性源于硅在不同晶向上的刻蚀速率差异（参见密勒指数）。其中两个主要的晶面是{100}Si面和{111}Si面。根据工艺参数的不同，刻蚀速率<math>RR</math>之比约为RR_{111}:RR_{100} = 1:100，即{100}Si面比{111}Si面的刻蚀速率快100倍。这种差异由不同晶面表面的原子数量决定。

File:Si-Wafer.png

图1：硅晶圆的刻蚀平面

制造结构时必须对基底表面进行掩模处理，以防止刻蚀剂侵蚀受保护区域。典型的刻蚀掩模由氮化硅或二氧化硅层组成，它们在KOH溶液中的刻蚀速率远低于硅。刻蚀仅发生在未受掩模覆盖的区域。

最终生成的结构取决于基底的取向及掩模形状。在{110}Si晶圆（图1右）上刻蚀会产生具有垂直槽壁的深槽。这些垂直壁由{111}Si面组成，因其极低的刻蚀速率而形成天然的刻蚀终止面。若在{110}Si晶圆（图1左）上进行刻蚀，最初会产生梯形槽。倾斜的侧壁同样是 <math>{111}\text{Si}</math> 面。由于硅以钻石结构结晶，其倾斜角为 <math>54.74^\circ</math>。若刻蚀时间足够长，两个侧面将交汇，形成V形槽。

表面硅微加工

表面硅微加工通过在晶圆表面进行多次刻蚀和沉积工艺来获取机械结构。该技术的显著优势在于可以将微机械结构与电子电路集成在同一个微芯片上。在某些情况下，机械部分与电子部分甚至可以使用共同的工艺步骤。这种集成不仅降低了制造成本，还解决了电子和机械组件空间分离时产生的问题，例如减小了连接处的寄生电容。

目前已实现的表面微机械系统包括用于超高频应用的电磁开关、机械可调电容器以及惯性传感器。

制造步骤

以电容式加速度传感器为例，可以说明表面硅微加工的工艺步骤（参见图2）：

File:Fertigungsschritte.png

图2：制造步骤

首先在完成部分电路工艺的硅层（a）上沉积一层“牺牲层”（b）。牺牲层材料需具备可在后续湿法刻蚀中被移除的特性。随后，在计划建立机械结构支撑部位的地方，将牺牲层刻蚀至露出底部的硅层（c）。

在接下来的步骤中，沉积硅材料以填充这些间隙，形成一层通过支柱与底层相连的多晶硅层（d）。

利用另一种刻蚀工艺（如各向异性干法刻蚀）对新生成的层进行图形化处理（e）后，通过湿法刻蚀移除多晶硅层下的牺牲层。这样便形成了一个形状几乎可以任意设计的悬空结构。

在加速度传感器中，该层包含一个大面积的质量块（参考质量）和若干细长的连杆。连杆将质量块与锚定结构（即通过支柱与底层相连的部分）相连。这些连杆起到悬臂弹簧的作用，使参考质量在力的作用下可以移动。

当整个芯片在平面内发生加速度时，惯性力作用于参考质量使其偏离平衡位置。这会导致动尺度与相邻静止结构之间的间距发生变化，进而引起电容变化。这类通常非常微弱的电容变化可由同一芯片上的CMOS电路进行评估。

为了尽可能增大电容变化量，参考质量和静止部分通常设计为交错的梳齿结构：梳齿交叠越深，电容就越高。

参考

• Ulrich Hilleringmann. Mikrosystemtechnik: Prozessschritte, Technologien, Anwendungen 1. Vieweg+Teubner. ISBN 3-835-10003-3. 
• Stephanus Büttgenbach. Mikromechanik: Einführung in Technologie und Anwendungen 1. Teubner. ISBN 3-519-03071-3.