微机电系统技术

一、概述

微机电系统（Micro Electro-Me-chanical Systems，MEMS）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。图1是MEMS的模型框图。

MEMS的特点是：

1）微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

二、基础性研究

当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象将与宏观世界有很大差别，一些常规理论将作修正。目前，MEMS的研究主要还是依赖经验和反复试探，完整的微观尺度下的理论体系尚未建立，这已经严重地阻碍了MEMS技术的进一步发展。因此，微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。

1.尺度效应和表面效应

尺度效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力（L3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（L2），表面张力（L1）、静电力（L0）等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积（L2）与体积（L3）之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺度效应的研究将有助于MEMS的创新。

2.微流体力学

微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修正。例如：微细通道内流动是否还符合Navier-Stokes方程；微小装置中流体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的相变点（饱和压力和温度）不再是常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。

3.力学和热力学基础

微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，一当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。

在微型光机电系统研究中主要需考虑的是第二类情况，其具体特点有：材料的失效模式，不仅与材料的本征关系有关，而且与材料的微结构有关；很大，从而传热效率很高；界面、表面特征更加显著。

须发展介于宏观与微观之间的研究方法，例如宏微观力学、宏微观热力学等。此外还应注意电磁、机械、力学和热学相结合的交叉学科研究方法。

4.微机械特性和微摩擦学

微结构材料机构特性中的弹性模量、波松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新作出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性研究。

5.微学学的基础理论

如：标量波设计理论、矢量波设计理论、近场光学的研究等。

三、MEMS典型器件及系统

1.微型传感器

微型传感器是MEMS的一个重要组成部分。1962年第一个硅微型威力传感器问世，开创了MEMS的先河。现在已经形成产品和正在研究中的微型传感器有：压力、力、力矩、加速度、速度、位置、流量、电量、磁场、温度、气体成分、湿度、pH值、离子浓度和生物浓度、微陀螺、触觉传感器等等。微型传感器正朝着集成化和智能化的方向发展。

国外某公司大批量生产的硅微加速度计。中间是传感的机械部分，四周为包括电信号源、放大器、信号处理和自校正电路等的集成电路，集成在3mm×3mm的芯片上，采用硅平面微细加工工艺制作，一块直径10厘米的硅片上可做出几百只微加速度计。已大量用于汽车的防碰撞气袋，每支只需几美元。有人预计微型传感器即将占邻40%的传感器的市场。

2.微型执行器

微型电机是一种典型的微型执行器，可分为旋转式和直线式两类，其他的微型执行器还有：微开关、微谐振器、微阀、微泵等。把微型执行器分布成阵列可以收到意想不到的效果，如：可用于物体的搬送、定位，用于飞机的灵巧蒙皮。微型执行器的驱动方式主要有：静电驱动、压电驱动、电磁驱动、形状记忆合金驱动、热双金属驱动、热气驱动等等。

图2为清华大学研制的微型泵硅微静电电机。微泵有进出口阀、利用双金属热致动的泵膜和泵腔，在一个2英寸硅片上制作了16个泵片。微电机由两层多晶硅组成转子、定子和轴承，在外围的定子和中间的转子间加交变电压，静电力拉动转子转动，转子直径只有头发丝粗细。

3.微型光机电器件和系统

随着信息技术、光通信技术的发展，宽带的多波段光纤网络将成为信息时代的主流，光通信中光器件的微小型化和大批量生产成为迫切的需求。MEMS技术与光器件的结合恰好能满足这一要求。由MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统（MOEMS）将成为MEMS领域中一个重要研究方向。

美国Texas Instruments公司研制的用于投影显示装置的数字驱动微简易阵列芯片（DMD:Digital Micromirror Device)样机，一个微镜 的尺寸仅16μm×16μm。反射镜下面的支撑机构中，微镜通过支撑柱和扭转梁悬于基片上，每个微镜下面都有驱动电极，在下电极与微镜间印加一定的电压，静电引力使微镜倾斜，入射光线被反射到镜头上投影到屏幕上，未加电压的微镜处的光线反射到镜头外，高速驱动微镜使每点产生明暗，投影出图像。

4.微型生物化学芯片

微型生物化学芯片是利用微细加工工艺，在厘米见方的硅片或玻璃等材料上集成样品预处理器、微反应器、微分离管道、微检测器等微型生特化学功能器件、电子器件和微流量器件的微型生物化学分析系统。与传统的分析仪器相比，微型生物化学分析系统除了体积小以外，还具有分析时间短，样品消耗少，能耗低，效率高等优点。可广泛用于临床、环境临测、工业实时控制。芯片上的生物化学分析系统还使分析的并行处理成为可能，即同时分析数十种甚至上百种的样品，这将大大缩短基因测序过程，因而将成为人类基因组计划中重要的分析手段，有人称其为本世界最后一次技术革命。

5.微型机器人

随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加。组在，科学家正在研制微型机器人，能在桌面大小的地方组装象硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。日本通产省的十年计划就是一例。

军队也对这种微型机器人表现了浓厚的兴趣。他们设想制造出大到鞋盒子，小到硬币大小的机器人，它们会爬行，跳跃，到达敌军后方，为不远处的部队或千里之外的总部收集情报。这些机器人是廉价的，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器战争。

日本已制作出利用太阳电池的微小机器人，它只有钱币大小。太阳能电池产生的电力驱动马达使机器人向着光亮的地方前进。

6.微型飞行器

微型飞行器（MAV,Micro AirVehicle）一般是指长、宽、高均小于15cm，重量不超过120克，并能以可接受的成本执行某一有价值的军事任务的飞行器。这种飞行器的设计目标是有16公里的巡航范围，并能以30～60公里/小时的速度连续飞行20～30分钟。美国陆军计划把这种微型飞行器装备到陆军排，它将被广泛地用于战场侦察、通信中继和反恐怖活动。

微型飞行器并不是传统飞机的简单缩小，尺寸的缩小带来了许多新的技术挑战。由于尺寸的缩小和速度的降低，现在常规飞机上使用的翼型设计产生足够的升力。而且，要在一个尺寸如此微小的飞行器上实现如此复杂的功能，靠常规的机电技术是难以实现的。微电子技术和微机电技术的发展，为微型飞行器的实现奠定了基础。例如，利用MEMS技术在机翼上制作微结构阵列，使其具有提供升力，控制飞行的功能，同时还能作为天线或探测器。

图3是MIT（麻省理工学院）设计的微型飞行器，预计其飞行速度为30～50公里/小时，可在空中停留1小时，有侦察及导航能力。

7.微型动力系统

微型动力系统以电、热、动能或机械能的输出为目的，以毫米到厘米级尺寸，产生瓦到十瓦级的功率。MIT从1996年开始了微型涡软发动机的研究，该微型涡轮发动机利用MEMS加工技术制作，主要包括一个空气压缩机、涡软机、燃烧室、燃料控制系统（包括泵、阀、传感器等）、以及电启动马达/发电机。该校已在硅片上制作出涡轮机模型。其目标是1cm直径的发动机产生10～20W的电力或0.05～0.01N的推力，最终达到100W。

MIT正在研究一种微型双级元火箭发动机。它由5到6片硅片叠在一起组成。硅征上制作有燃烧室、喷嘴、微泵、微阀及冷却管道。整个发动机约长15mm，宽12mm，厚2.5mm。使用液态氧和乙醇作燃料，预计能产生15N的推力，推力重量比是目前大型火箭的10～100倍。

美国TRW公司，航空航天公司和加州理工学院（CIT）组成的研究小组提出了一个数字推进概念方案，在这个方案中，将有104～106个微推进器被集成到一块直径为10cm的硅片上。并已研制出了3×5的微推进器阵列。

四、MEMS的加工技术

MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA（德文Lithograph Galvanformung und Abformug简写）技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工（EDM）、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。

五、MEMS的应用领域

MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前，MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境；正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化；还在萌芽的有：家用/安全、化学/配药和食品加工。

MEMS作为一个新兴的技术领域，有可能象当年的微电子技术一样，成为一门重大的产业。但瑞在它还处在初级阶段，因而我国在这一领域，机遇和挑战并存。从研究开发的情况来看，我国在该领域的技术水平与世界先进水平的差距并不太大，某些方面甚至已达到先进水平。但是，我国在MEMS技术的产业化方面，却远远落后于世界先进水平。

MEMS在二十一世纪将会有更大的发展。我们应该正视下一世纪在高技术领域中的激烈竞争，争取在不远的将来在国际上占有一席之地，迎接二十一世纪技术与产业革命的挑战。