MEMS技术发展及应用优势

摘要

叙述了在微工程研究领域有代表性的微机电系统(MEMS)技术特点，介绍了MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等典型的MEMS产品，概述了MEMS基础理论研究进展以及国外对MEMS陀螺仪、MEMS加速度计的研究和发展现状，分析了MEMS技术在飞航导弹等飞行器上的应用优势。

引言

新兴的微米与纳米技术正在派生出一门新兴学科叫微工程，它专门研究具有纳米、微米和毫米尺寸的实体结构的三维小型传感器和执行机构的设计、材料合成、微机械加工、组装、总装和封装。利用这项技术可以把传感器、执行机构以及信号和数据处理器做在同块芯片上，构成件微型仪表。目前，研究和开发微纳米级的微机电系统和专用微型仪表(ASIM),包括微纳米传感器、传动件、执行器以及智能材料等已成为热门课题。20世纪70年代兴起的微电子机械系统，是集执行器和传感器等微型装置、微型机构、微尺度驱动、控制与处理集成电路(IC)为一体的微型系统。随着MEMS的出现和发展，航天微系统时代将伴随而来。MEMS技术的发展，为未来飞航导弹等高端航天航空飞行器的设计提供很大的发挥空间。

1 MEMS的技术特点和典型产品

1)MEMS的技术特点

基于微机电系统技术的传感器一般是由硅基材料和利用半导体集成电路制造工艺制造而成的集微机械、微电子功能高度综合的传感器系统，它具有显著的尺寸小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、抗振动冲击能力强等特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它们可以完成某些传统传感器所不能实现的功能。目前研制的MEMS产品主要包括微机电陀螺仪、微机电加速度计及微压力计等在内的微机电传感器。由于在尺寸、质量、功耗和可靠性等方面的突出特点，MEMS传感器被应用于军事领域和抗恶劣环境要求高的场合。

2)MEMS压力传感器

微机电压力传感器是最早开始研制、最早开始产业化的MEMS产品。从信号检测方式来看，微机械压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础。目前，压阻式压力传感器的精度可达0.05%-0.01%，温度误差为0.0002%，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。硅微谐振式传感器除了具有普通微传感器的优点外，还具有准数字信号输出，抗干扰能力强，分辨力和测量精度高的优点。并且将敏感元件与信号调理电路高度集成在一块芯片上，大大提高可靠性和减低制造成本，具有很好的应用前景。

3) MEMS加速度计

运动载体的线运动加速度是通过加速度传感器测量的，硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的MEMS传感器。其主要类型有压阻式、电容式、力平衡式和谐振式，最具有吸引力的是力平衡加速度计。其主要的制造手段是硅片表面微机械工艺和BiCMOS技术。目前工程化的MESM加速度计精度在国外已达到100ug以内。

4)MEMS陀螺仪

飞行器飞行姿态运动是用陀螺仪来进行测量的。传统的陀螺仪是利用高速转动的物体具有保持其角动量的特性来测量角速度。常见的MEMS陀螺仪有双平衡环结构、悬臂梁结构、音义结构、振动环结构等，通过被激励的振动体对哥氏加速度的敏感来测量角速度。1988年，美国德雷伯实验室研制出第一台框架式角振动微机电陀螺仪，1993年又研制出性能更好的音叉式线振动陀螺仪。影响其应用的主要问题是精度限制，提高精度的手段主要是改进微细加工工艺和误差分离/补偿技术。

2国外MEMS技术发展现状

2.1 MEMS基础理论研究发展

MEMS不同于传统机电系统，自身还有宏观物理学难以解释和预测的特定规律，诸如微构件力学性能、微摩擦机理、微流体力学、微传热学等基础理论研究仍然需要深入探索和关注。对于某些微纳尺寸构件或系统，其微尺度效应与宏观现象差异很大，甚至发生质的变化，诸如力的尺寸效应、微结构表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件力学性能等。在微观领域，与物体特征尺寸成高次方的惯性力、电磁力作用会随着特征尺寸的减小而快速下降，与特征尺寸成低次方的黏性力、弹性力、静电力、范德华力等减小的速度会慢的多，比高次方的力相对增大;在许多情况下，重力和惯性力可忽略，表面力和静电引力成为对系统性能起主导影响作用的因素.微构件相对运动时，表面摩擦力、润滑膜粘滞力表现突出;微观摩擦将取决于构件表面间的分子作用力，而不再是载荷压力，牛顿摩擦定律在此已不适用。在微流体力学中，微管道中液体的输送机理和外在表现与Navier-Stokes流体方程出现偏离，需要基于微流体动态测试平台进行修正。在微尺度传热学中，微槽、微孔、微管等微器件内部的传质传热特性亦与宏观传热油很大差异。

目前，MEMS基础理论研究已取得一些研究进展，并开发出一些测试仪器或系统对微尺度理论体系进行完善，但尚不系统化，有待于进一步对微结构学、微动力学、微流体力学、微摩擦学、微热力学、微电子学、微光学、微生物学等进行研究。

2.2 MEMS加速度计发展现状

美国ADI公司最早实现加速度计结构和电路的单片集成，自1993年第1只表面硅工艺生产的硅加速度计出售至今，以ADXI5O为代表的微惯性器件全球销量已超过l亿件。其器件不断朝高性能、小体积方向发展，此类加速度计主要针对工业传感领域，如汽车气囊的弹射触发等.ADI公司微加速度计的性能发展列于下表。

为了减小体积和成本，ADI公司还进行了双轴单片集成硅加速度计的研制，成品为ADXL203双轴硅微加速度计，量程为1.7 g,精度为5.0 mg。加州大学伯克利分校采用2um标准CMOS工艺研制的三轴加速度计，芯片见图1。3个分离的检测质量为2um厚的多晶硅，其检测电路包括约1000个晶体管。另外，伯克利分校还报道了一种采用单质量块实现的三轴加速度计,Litton SiACTM硅加速度计为其典型的代表，量程超过100g,零偏优于20ug,标度因数稳定性优于5x10的-5次方。采用全硅结构，体积小、质是轻、功耗低。此类加速度计针对导航和制导领域如小型无人机的导航和控制、短程战术武器制导等等，已广泛应用于LN-200、 LN-200S、LN-300等惯性测量组合上，以及LTN-101E、LI-SA-200两种民用和军用飞机惯性导航系统上。