学科前沿讲座微机电系统

微机电系统是指可批量制作的，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。微机电系统是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集约了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔。通过微纳结构特征的制造工艺进展及趋势。介绍了微纳机械的基础理论研究现状和发展趋势目前，MESM的研究主要还是依赖经验和反复试探，微纳机械学研究正处在起步阶段，远未形成系统的理论体系，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。一方面微纳机电系统涉及广泛的学科融合，从任何单一的学科出发，难于推演出有效的分析方法和实用的设计准则。另一方面，当系统的尺度趋于微米、纳米级时，主导的物理、机械量发生变化，甚至必须考虑新的物理效应，例如，热涨落效应，表面效应、量子效应等[1-2]。同时，由于微纳系统的空间密集性，各种物理现象的耦合作用增强。总体上讲，主要聚焦于考虑尺度效应的力、运动、热传、流体学等问题微机电系统的优点是：体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等优点。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，使微观尺度制造技术的演进与革命。微机电系统是当前交叉学科的重要研究领域，涉及电子工程、材料工程、机械工程、信息工程等多项科学技术工程，将是未来国民经济和军事科研领域的新增长点发展史微机电系统是从微传感器发展而来的，已有几次突破性的进展：70年代微机械压力传感器产品问世80年代末研制出硅静电微马达90年代喷墨打印头，硬盘读写头、硅加速度计和数字微镜器件等相继规模化生产充分展示了微系统技术及其微系统的巨大应用前景MEMS的显著特点：（以硅为主要材料）微型化微型化：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。MEMS系统与一般的机械系统相比，不仅体积缩小，而且在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化集成化集成化：MEMS把不同功能、不同敏感方向或制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和微执行器阵列。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高可靠性和稳定性的微型机电系统批量生产批量生产：MEMS采用类似集成电路的生产工艺和加工过程，用硅微加工工艺在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。使MEMS有极高的自动化程度，并且大大降低了生产成本，因此MEMS产品在经济性方面更具竞争方便扩展方便扩展：由于MEMS技术采用模块设计，因此设备运营商在增加系统容量时只需要直接增加器件/系统数量，而不需要预先计算所需要的器件/系统数，这对于运营商是非常方便的。多学科交多学科交叉：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。并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。通过微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系统，将开辟一个新技术领域多学科交叉：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。并集中了当今科学技术发展的许多尖端成果。通过微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系统，将开辟一个新技术领域MEMS的应用MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学，材料科学、能源科学等。而它与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS器件。3.1医疗和生物技术医用微型机器人是最有发展前途的应用领域。微型机器人可以进入人体的血管，从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪，疏通患脑血栓病人阻塞的血管。外科医生可以通过遥控微型机器人作毫米级的眼网膜手术。日本更是制定了采用“机器人外科医生”的计划，并正在开发能在人体血管中穿行、用于发现并杀死癌细胞的超微型机器人。微型机器人在医疗领域中的应用具体有以下几方面：定向药物投放系统、低损伤手术用微型机器人、手术用内窥镜及钳子№1和微小分散型人工脏器。生物细胞的典型尺寸为1～10μm，生物大分子的厚度为纳米量级，长为微米量级。微加工技术制造的器件尺寸也在这范围之内，因而适合于操作生物细胞和生物大分子。另外，临床分析化验和基因分析遗传诊断所需要的各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计都可用MEMS技术制造。3.2信息技术MEMS的最高目标是信息系统集成，从信息获取(传感器)到信息处理(信息处理电路)和信息执行(执行器)等功能都实现集成(单片或多片MEMS)]。无疑MEMS技术的发展会对信息技术产生深远的影响。已经开发出许多用于通信系统特别是光纤通信网络的MEMS器件，如光开关、光调制器、光纤开关、光纤驻准器、可调滤波器、集成光编码器、无源调制器等。利用机械运动的微光开关有许多特点：性能与波长、极化情况无关；对比度大、串扰小等。从多媒体人机界面(HI)看，使用微麦克风的语音输入和使用微摄像万方数据4期赵运才李克安：微机电系统技术及其应刚89系统的图形输入都有广阔市场，如今正在大力研制的微型智能机器人更是控制系统的最高目标之一。用微陀螺装在鼠标上以稳定其运动，把微机械及其控制电路集成的微器件半球磁头上可使其在磁道上运行精度大大提高(0．1μm)，提高磁盘的磁道密度。3.3航空、航天技术由于卫星及其发射的高成本，早有人提出了小卫星、微小卫星、微卫星和纳米卫星等概念。在1995年国际会议上已有人提出研制全硅卫星，即整个卫星由硅太阳能电池板、硅导航模块、硅通信模块等组合而成，这样可使整个卫星的重量缩小到以千克计算，大幅度降低卫星的成本，使较密集的分布式卫星系统成为现实。由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机等。3.4环境科学利用MEMS制造的由化学传感器、生物传感器和数据处理系统组成的微型测量和分析设备，用来检测气体和液体的化学成分，检测核生物、化学物质及有毒物品，有体积小、价格低、功耗小、便于携带等优点。微机电系统电子鼻的形状类似人和动物的鼻子，能探测和识别各种气味。而气味是多种挥发性有机化合物(VOC)的混合物，探测和识别气味，就是去识别各种VOC及测定其浓度。由于电子鼻能探测和识别各种气味，它在仪器生产、医疗卫生、制药工业、环境保护、安全保障、公安和军事等领域都有许多应用。在环保领域，电子鼻可用来检查工、农业生产的排放物和污染环境的废物、检控室内空气质量。在核电站安全保障方面，电子鼻可监控电火灾，早期发现和防止核事故，保护环境MEMS在国内外的发展状况1947年：发明晶体管1954年：Si、Ge压阻效应1966年：机械研磨做硅腔1970年：各向同性腐蚀硅腔1976年：KOH腐蚀MEMS加工手段80年代：集成式压力传感器现如今：新机理压力传感器MEMS的技术基础微结构设计数据库、有限元和边界元分析、CAD\CAM、仿真和拟实技术、微系统建模硅表面加工和体加工的硅微细加工、利用X射线光刻、电铸的LIGA和利用紫外光刻的准LIGA加工、能束加工和微系统的集成技术微系统的组装技术：使用粘接材料的粘接、硅玻璃静电封接、硅硅键合技术和自对准组装技术(1)研究方向多样化。从历次大型微机电系统国际会议的论文来看，微机电系统技术的研究日益多样化。微机电系统技术涉及的领域主要包括惯性器件(如加速度计与陀螺)、原子力显微镜、数据存储、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器、微型机电器件性能模拟、各种制造工艺、封装键合、医用器件、实验表征器件、压力传感器、麦克风以及声学器件等。内容涉及军事、民用等各个应用领域。(2)加工工艺多样化。正在使用和研究的加工工艺有传统的体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、深槽刻蚀与键合相结合的加工工艺、SCREAM工艺、LIGA加工工艺、厚胶与电镀相结合的金属牺牲层工艺、MAMOS工艺、体硅工艺与表面牺牲层工艺相结合等，而具体的加工手段更是多种多样。(3)系统单片集成化。一般传感器的输出信号(电流或电压)很弱，若将它连接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会彻底掩盖有用的信号，因此采用灵敏元件外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器，只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。(4)微机电系统器件芯片制造与封装统一考虑。微机电系统器件与集成电路芯片的主要不同在于：微机电系统器件芯片一般都有活动部件，比较脆弱，在封装前不利于运输。所以，微机电系统器件芯片制造与封装应统一考虑。封装技术是微机电系统的一个重要研究领域，几乎每次微机电系统国际会议都对封装技术进行专题讨论。(5)普通商用低性能微机电系统器件与高性能特殊用途(如航空、航天、军事用)微机电系统器件并存。例如加速度计，既有大量的只要求精度为0.5g以上、可广泛应用于汽车安全气囊等的具有很高经济价值的加速度计，也有要求精度为10-8g的、可应用于航空航天等高科技领域的加速度计。对于陀螺，也是有些情况要求其精度为0.1°/小时，有的则只要求10000°/小时。