微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)

一、概述

微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS）是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS是隨著半導(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。圖1是MEMS的模型框圖。

MEMS的特點(diǎn)是：

1）微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。

2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

5）多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

MEMS發(fā)展的目標(biāo)在于，通過(guò)微型化、集成化來(lái)探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。MEMS可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動(dòng)化、智能化和可靠性水平提高到一個(gè)新的水平。二十一世紀(jì)MEMS將逐步從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没?，?duì)工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國(guó)防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

二、基礎(chǔ)性研究

當(dāng)尺寸縮小到一定范圍時(shí)，許多物理現(xiàn)象將與宏觀世界有很大差別，一些常規(guī)理論將作修正。目前，MEMS的研究主要還是依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試探，完整的微觀尺度下的理論體系尚未建立，這已經(jīng)嚴(yán)重地阻礙了MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，微觀尺度下的基礎(chǔ)性理論研究顯得尤為重要。

1.尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)

尺度效應(yīng)研究已有較長(zhǎng)的時(shí)間。力的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)說(shuō)明，在宏觀領(lǐng)域作用微小的力和現(xiàn)象，在微觀領(lǐng)域可能起著重要的作用。在微小尺寸領(lǐng)域，與特征尺寸L的高次方成比例的慣性力、電磁力（L3）等的作用相對(duì)減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（L2），表面張力（L1）、靜電力（L0）等的作用相對(duì)增大；隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對(duì)增大，表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用。尺度效應(yīng)的研究將有助于MEMS的創(chuàng)新。

2.微流體力學(xué)

微流體現(xiàn)象與宏觀規(guī)律有相當(dāng)?shù)牟顒e，有的規(guī)律需要進(jìn)行較大的補(bǔ)充和修正。例如：微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)是否還符合Navier-Stokes方程；微小裝置中流體驅(qū)動(dòng)機(jī)制可用表面張力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小裝置中流體的相變點(diǎn)（飽和壓力和溫度）不再是常數(shù)，而隨尺度減小而降低；微細(xì)管道固液界面的微觀物理化學(xué)特性所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，如電泳、電滲，對(duì)微流體的力學(xué)行為有重要影響。

3.力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ)

微觀領(lǐng)域中的力學(xué)和熱力學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)研究可分為兩大類，一當(dāng)物體尺度縮小至與粒子運(yùn)行的平均自由程同一量級(jí)時(shí)，則介質(zhì)連續(xù)性等宏觀假定不再成立；另一類，雖然連續(xù)介質(zhì)等宏觀假定仍然成立，但由于物體尺度的微小化，各種作用力的相對(duì)重要性產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致了宏觀規(guī)律的變化。

在微型光機(jī)電系統(tǒng)研究中主要需考慮的是第二類情況，其具體特點(diǎn)有：材料的失效模式，不僅與材料的本征關(guān)系有關(guān)，而且與材料的微結(jié)構(gòu)有關(guān)；很大，從而傳熱效率很高；界面、表面特征更加顯著。

須發(fā)展介于宏觀與微觀之間的研究方法，例如宏微觀力學(xué)、宏微觀熱力學(xué)等。此外還應(yīng)注意電磁、機(jī)械、力學(xué)和熱學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科研究方法。

4.微機(jī)械特性和微摩擦學(xué)

微結(jié)構(gòu)材料機(jī)構(gòu)特性中的彈性模量、波松比、疲勞極限、強(qiáng)度，以及內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)部缺陷的研究和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立引起了人們的重視，有些力學(xué)量需要重新作出科學(xué)的表述。微觀摩擦學(xué)包括納米摩擦行為及其控制研究、薄膜潤(rùn)滑與超滑技術(shù)研究、微觀表面形貌與表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)研究、微磨損和微觀表面改性研究。

5.微學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)理論

如：標(biāo)量波設(shè)計(jì)理論、矢量波設(shè)計(jì)理論、近場(chǎng)光學(xué)的研究等。

三、MEMS典型器件及系統(tǒng)

1.微型傳感器

微型傳感器是MEMS的一個(gè)重要組成部分。1962年第一個(gè)硅微型威力傳感器問(wèn)世，開創(chuàng)了MEMS的先河?，F(xiàn)在已經(jīng)形成產(chǎn)品和正在研究中的微型傳感器有：壓力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、電量、磁場(chǎng)、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度、微陀螺、觸覺(jué)傳感器等等。微型傳感器正朝著集成化和智能化的方向發(fā)展。

國(guó)外某公司大批量生產(chǎn)的硅微加速度計(jì)。中間是傳感的機(jī)械部分，四周為包括電信號(hào)源、放大器、信號(hào)處理和自校正電路等的集成電路，集成在3mm×3mm的芯片上，采用硅平面微細(xì)加工工藝制作，一塊直徑10厘米的硅片上可做出幾百只微加速度計(jì)。已大量用于汽車的防碰撞氣袋，每支只需幾美元。有人預(yù)計(jì)微型傳感器即將占鄰40%的傳感器的市場(chǎng)。

2.微型執(zhí)行器

微型電機(jī)是一種典型的微型執(zhí)行器，可分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類，其他的微型執(zhí)行器還有：微開關(guān)、微諧振器、微閥、微泵等。把微型執(zhí)行器分布成陣列可以收到意想不到的效果，如：可用于物體的搬送、定位，用于飛機(jī)的靈巧蒙皮。微型執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)方式主要有：靜電驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、熱雙金屬驅(qū)動(dòng)、熱氣驅(qū)動(dòng)等等。

圖2為清華大學(xué)研制的微型泵硅微靜電電機(jī)。微泵有進(jìn)出口閥、利用雙金屬熱致動(dòng)的泵膜和泵腔，在一個(gè)2英寸硅片上制作了16個(gè)泵片。微電機(jī)由兩層多晶硅組成轉(zhuǎn)子、定子和軸承，在外圍的定子和中間的轉(zhuǎn)子間加交變電壓，靜電力拉動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子直徑只有頭發(fā)絲粗細(xì)。

3.微型光機(jī)電器件和系統(tǒng)

隨著信息技術(shù)、光通信技術(shù)的發(fā)展，寬帶的多波段光纖網(wǎng)絡(luò)將成為信息時(shí)代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生產(chǎn)成為迫切的需求。MEMS技術(shù)與光器件的結(jié)合恰好能滿足這一要求。由MEMS與光器件融合為一體的微型光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）將成為MEMS領(lǐng)域中一個(gè)重要研究方向。

美國(guó)Texas Instruments公司研制的用于投影顯示裝置的數(shù)字驅(qū)動(dòng)微簡(jiǎn)易陣列芯片（DMD:Digital Micromirror Device)樣機(jī)，一個(gè)微鏡 的尺寸僅16μm×16μm。反射鏡下面的支撐機(jī)構(gòu)中，微鏡通過(guò)支撐柱和扭轉(zhuǎn)梁懸于基片上，每個(gè)微鏡下面都有驅(qū)動(dòng)電極，在下電極與微鏡間印加一定的電壓，靜電引力使微鏡傾斜，入射光線被反射到鏡頭上投影到屏幕上，未加電壓的微鏡處的光線反射到鏡頭外，高速驅(qū)動(dòng)微鏡使每點(diǎn)產(chǎn)生明暗，投影出圖像。

4.微型生物化學(xué)芯片

微型生物化學(xué)芯片是利用微細(xì)加工工藝，在厘米見方的硅片或玻璃等材料上集成樣品預(yù)處理器、微反應(yīng)器、微分離管道、微檢測(cè)器等微型生特化學(xué)功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的分析儀器相比，微型生物化學(xué)分析系統(tǒng)除了體積小以外，還具有分析時(shí)間短，樣品消耗少，能耗低，效率高等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛用于臨床、環(huán)境臨測(cè)、工業(yè)實(shí)時(shí)控制。芯片上的生物化學(xué)分析系統(tǒng)還使分析的并行處理成為可能，即同時(shí)分析數(shù)十種甚至上百種的樣品，這將大大縮短基因測(cè)序過(guò)程，因而將成為人類基因組計(jì)劃中重要的分析手段，有人稱其為本世界最后一次技術(shù)革命。

5.微型機(jī)器人

隨著電子器件的不斷縮小，組裝時(shí)要求的精密度也在不斷增加。組在，科學(xué)家正在研制微型機(jī)器人，能在桌面大小的地方組裝象硬盤驅(qū)動(dòng)器之類的精密小巧的產(chǎn)品。日本通產(chǎn)省的十年計(jì)劃就是一例。

軍隊(duì)也對(duì)這種微型機(jī)器人表現(xiàn)了濃厚的興趣。他們?cè)O(shè)想制造出大到鞋盒子，小到硬幣大小的機(jī)器人，它們會(huì)爬行，跳躍，到達(dá)敵軍后方，為不遠(yuǎn)處的部隊(duì)或千里之外的總部收集情報(bào)。這些機(jī)器人是廉價(jià)的，可以大量部署，它們可以替代人進(jìn)入難以進(jìn)入或危險(xiǎn)的地區(qū)，進(jìn)行偵察、排雷和探測(cè)生化武器戰(zhàn)爭(zhēng)。

日本已制作出利用太陽(yáng)電池的微小機(jī)器人，它只有錢幣大小。太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使機(jī)器人向著光亮的地方前進(jìn)。

6.微型飛行器

微型飛行器（MAV,Micro AirVehicle）一般是指長(zhǎng)、寬、高均小于15cm，重量不超過(guò)120克，并能以可接受的成本執(zhí)行某一有價(jià)值的軍事任務(wù)的飛行器。這種飛行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是有16公里的巡航范圍，并能以30～60公里/小時(shí)的速度連續(xù)飛行20～30分鐘。美國(guó)陸軍計(jì)劃把這種微型飛行器裝備到陸軍排，它將被廣泛地用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、通信中繼和反恐怖活動(dòng)。

微型飛行器并不是傳統(tǒng)飛機(jī)的簡(jiǎn)單縮小，尺寸的縮小帶來(lái)了許多新的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于尺寸的縮小和速度的降低，現(xiàn)在常規(guī)飛機(jī)上使用的翼型設(shè)計(jì)產(chǎn)生足夠的升力。而且，要在一個(gè)尺寸如此微小的飛行器上實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的功能，靠常規(guī)的機(jī)電技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的。微電子技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，為微型飛行器的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。例如，利用MEMS技術(shù)在機(jī)翼上制作微結(jié)構(gòu)陣列，使其具有提供升力，控制飛行的功能，同時(shí)還能作為天線或探測(cè)器。

圖3是MIT（麻省理工學(xué)院）設(shè)計(jì)的微型飛行器，預(yù)計(jì)其飛行速度為30～50公里/小時(shí)，可在空中停留1小時(shí)，有偵察及導(dǎo)航能力。

7.微型動(dòng)力系統(tǒng)

微型動(dòng)力系統(tǒng)以電、熱、動(dòng)能或機(jī)械能的輸出為目的，以毫米到厘米級(jí)尺寸，產(chǎn)生瓦到十瓦級(jí)的功率。MIT從1996年開始了微型渦軟發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，該微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)利用MEMS加工技術(shù)制作，主要包括一個(gè)空氣壓縮機(jī)、渦軟機(jī)、燃燒室、燃料控制系統(tǒng)（包括泵、閥、傳感器等）、以及電啟動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)。該校已在硅片上制作出渦輪機(jī)模型。其目標(biāo)是1cm直徑的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生10～20W的電力或0.05～0.01N的推力，最終達(dá)到100W。

MIT正在研究一種微型雙級(jí)元火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它由5到6片硅片疊在一起組成。硅征上制作有燃燒室、噴嘴、微泵、微閥及冷卻管道。整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)約長(zhǎng)15mm，寬12mm，厚2.5mm。使用液態(tài)氧和乙醇作燃料，預(yù)計(jì)能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10～100倍。

美國(guó)TRW公司，航空航天公司和加州理工學(xué)院（CIT）組成的研究小組提出了一個(gè)數(shù)字推進(jìn)概念方案，在這個(gè)方案中，將有104～106個(gè)微推進(jìn)器被集成到一塊直徑為10cm的硅片上。并已研制出了3×5的微推進(jìn)器陣列。

四、MEMS的加工技術(shù)

MEMS加工技術(shù)主要有從半導(dǎo)體加工工藝中發(fā)展起來(lái)的硅平面工藝和體硅工藝。八十年代中期以后利用X射線光刻、電鑄、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug簡(jiǎn)寫）技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個(gè)體系。MEMS的加工技術(shù)可包括硅表面加工和體加工的硅微細(xì)加工、LIGA加工和利用紫外光刻的準(zhǔn)LIGA加工、微細(xì)電火花加工（EDM）、超聲波加工、等離子體加工、激光加工、離子束加工、電子束加工、立體光刻成形等。MEMS的封裝技術(shù)也很重要。傳統(tǒng)的精密機(jī)械加工技術(shù)在制造微小型機(jī)械方面仍有很大潛力。

五、MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域

MEMS在工業(yè)、信息和通信、國(guó)防、航空航天、航海、醫(yī)療和物生工程、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和家庭服務(wù)等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用前景。目前，MEMS的應(yīng)用領(lǐng)域中領(lǐng)先的有：汽車、醫(yī)療和環(huán)境；正在增長(zhǎng)的有：通信、機(jī)構(gòu)工程和過(guò)程自動(dòng)化；還在萌芽的有：家用/安全、化學(xué)/配藥和食品加工。

MEMS作為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，有可能象當(dāng)年的微電子技術(shù)一樣，成為一門重大的產(chǎn)業(yè)。但瑞在它還處在初級(jí)階段，因而我國(guó)在這一領(lǐng)域，機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。從研究開發(fā)的情況來(lái)看，我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平的差距并不太大，某些方面甚至已達(dá)到先進(jìn)水平。但是，我國(guó)在MEMS技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化方面，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界先進(jìn)水平。

MEMS在二十一世紀(jì)將會(huì)有更大的發(fā)展。我們應(yīng)該正視下一世紀(jì)在高技術(shù)領(lǐng)域中的激烈競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)取在不遠(yuǎn)的將來(lái)在國(guó)際上占有一席之地，迎接二十一世紀(jì)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)。