微機電系統(tǒng)技術(shù)

一、概述

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

MEMS的特點是：

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)時間短。

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

3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的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方向的多個傳感器或執(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）多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

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

二、基礎(chǔ)性研究

當尺寸縮小到一定范圍時，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)嚴重地阻礙了MEMS技術(shù)的進一步發(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)研究已有較長的時間。力的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)說明，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）等的作用相對增大；隨著尺寸的減小，表面積（L2）與體積（L3）之比相對增大，表面力學、表面物理效應(yīng)將起主導作用。尺度效應(yīng)的研究將有助于MEMS的創(chuàng)新。

2.微流體力學

微流體現(xiàn)象與宏觀規(guī)律有相當?shù)牟顒e，有的規(guī)律需要進行較大的補充和修正。例如：微細通道內(nèi)流動是否還符合Navier-Stokes方程；微小裝置中流體驅(qū)動機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（飽和壓力和溫度）不再是常數(shù)，而隨尺度減小而降低；微細管道固液界面的微觀物理化學特性所產(chǎn)生的化學效應(yīng)，如電泳、電滲，對微流體的力學行為有重要影響。

3.力學和熱力學基礎(chǔ)

微觀領(lǐng)域中的力學和熱力學問題的基礎(chǔ)研究可分為兩大類，一當物體尺度縮小至與粒子運行的平均自由程同一量級時，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，各種作用力的相對重要性產(chǎn)生了逆轉(zhuǎn)，從而導致了宏觀規(guī)律的變化。

在微型光機電系統(tǒng)研究中主要需考慮的是第二類情況，其具體特點有：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、宏微觀熱力學等。此外還應(yīng)注意電磁、機械、力學和熱學相結(jié)合的交叉學科研究方法。

4.微機械特性和微摩擦學

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

5.微學學的基礎(chǔ)理論

如：標量波設(shè)計理論、矢量波設(shè)計理論、近場光學的研究等。

三、MEMS典型器件及系統(tǒng)

1.微型傳感器

微型傳感器是MEMS的一個重要組成部分。1962年第一個硅微型威力傳感器問世，開創(chuàng)了MEMS的先河。現(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、溫度、氣體成分、濕度、pH值、離子濃度和生物濃度、微陀螺、觸覺傳感器等等。微型傳感器正朝著集成化和智能化的方向發(fā)展。

國外某公司大批量生產(chǎn)的硅微加速度計。中間是傳感的機械部分，四周為包括電信號源、放大器、信號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。已大量用于汽車的防碰撞氣袋，每支只需幾美元。有人預(yù)計微型傳感器即將占鄰40%的傳感器的市場。

2.微型執(zhí)行器

微型電機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，用于飛機的靈巧蒙皮。微型執(zhí)行器的驅(qū)動方式主要有：靜電驅(qū)動、壓電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、形狀記憶合金驅(qū)動、熱雙金屬驅(qū)動、熱氣驅(qū)動等等。

圖2為清華大學研制的微型泵硅微靜電電機。微泵有進出口閥、利用雙金屬熱致動的泵膜和泵腔，在一個2英寸硅片上制作了16個泵片。微電機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，靜電力拉動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子直徑只有頭發(fā)絲粗細。

3.微型光機電器件和系統(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電系統(tǒng)（MOEMS）將成為MEMS領(lǐng)域中一個重要研究方向。

美國Texas Instruments公司研制的用于投影顯示裝置的數(shù)字驅(qū)動微簡易陣列芯片（DMD:Digital Micromirror Device)樣機，一個微鏡 的尺寸僅16μm×16μm。反射鏡下面的支撐機構(gòu)中，微鏡通過支撐柱和扭轉(zhuǎn)梁懸于基片上，每個微鏡下面都有驅(qū)動電極，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)動微鏡使每點產(chǎn)生明暗，投影出圖像。

4.微型生物化學芯片

微型生物化學芯片是利用微細加工工藝，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、微檢測器等微型生特化學功能器件、電子器件和微流量器件的微型生物化學分析系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的分析儀器相比，微型生物化學分析系統(tǒng)除了體積小以外，還具有分析時間短，樣品消耗少，能耗低，效率高等優(yōu)點?？蓮V泛用于臨床、環(huán)境臨測、工業(yè)實時控制。芯片上的生物化學分析系統(tǒng)還使分析的并行處理成為可能，即同時分析數(shù)十種甚至上百種的樣品，這將大大縮短基因測序過程，因而將成為人類基因組計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.微型機器人

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

軍隊也對這種微型機器人表現(xiàn)了濃厚的興趣。他們設(shè)想制造出大到鞋盒子，小到硬幣大小的機器人，它們會爬行，跳躍，到達敵軍后方，為不遠處的部隊或千里之外的總部收集情報。這些機器人是廉價的，可以大量部署，它們可以替代人進入難以進入或危險的地區(qū)，進行偵察、排雷和探測生化武器戰(zhàn)爭。

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

6.微型飛行器

微型飛行器（MAV,Micro AirVehicle）一般是指長、寬、高均小于15cm，重量不超過120克，并能以可接受的成本執(zhí)行某一有價值的軍事任務(wù)的飛行器。這種飛行器的設(shè)計目標是有16公里的巡航范圍，并能以30～60公里/小時的速度連續(xù)飛行20～30分鐘。美國陸軍計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)場偵察、通信中繼和反恐怖活動。

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

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

7.微型動力系統(tǒng)

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

MIT正在研究一種微型雙級元火箭發(fā)動機。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。整個發(fā)動機約長15mm，寬12mm，厚2.5mm。使用液態(tài)氧和乙醇作燃料，預(yù)計能產(chǎn)生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10～100倍。

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

四、MEMS的加工技術(shù)

MEMS加工技術(shù)主要有從半導體加工工藝中發(fā)展起來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簡寫）技術(shù)誕生，形成了MEMS加工的另一個體系。MEMS的加工技術(shù)可包括硅表面加工和體加工的硅微細加工、LIGA加工和利用紫外光刻的準LIGA加工、微細電火花加工（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)的精密機械加工技術(shù)在制造微小型機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；正在增長的有：通信、機構(gòu)工程和過程自動化；還在萌芽的有：家用/安全、化學/配藥和食品加工。

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

MEMS在二十一世紀將會有更大的發(fā)展。我們應(yīng)該正視下一世紀在高技術(shù)領(lǐng)域中的激烈競爭，爭取在不遠的將來在國際上占有一席之地，迎接二十一世紀技術(shù)與產(chǎn)業(yè)革命的挑戰(zhàn)。