微機電系統:獨立的智能系統-中文百科頻道

概念解析

MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機電系統。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其内部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。主要由傳感器、作動器（執行器）和微能源三大部分組成。微機電系統涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術，為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。常見的産品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力傳感器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度傳感器等以及它們的集成産品。

MEMS是一個獨立的智能系統，可大批量生産，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其内部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS産品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

微機電系統在國民經濟和軍事系統方面将有着廣泛的應用前景。主要民用領域是電子、醫學、工業、汽車和航空航天系統。

概括起來，MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生産。MEMS技術的目标是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。 MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等。其研究内容一般可以歸納為以下三個基本方面： 1．理論基礎：在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響（Scaling Effects），許多物理現象與宏觀世界有很大區别，因此許多原來的理論基礎都會發生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。2. 技術基礎研究：主要包括微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術、微測量等技術基礎研究。3. 微機械在各學科領域的應用研究。

美國已研制成功用于汽車防撞和節油的微機電系統加速度表和傳感器，可提高汽車的安全性，節油10%。僅此一項美國國防部系統每年就可節約幾十億美元的汽油費。微機電系統在航空航天系統的應用可大大節省費用，提高系統的靈活性，并将導緻航空航天系統的變革。在軍事應用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統應用于個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數據存儲器件、小型分析儀器、醫用傳感器、光纖網絡開關、環境與安全監測用的分布式無人值守傳感等方面的研究。該局已演示以微機電系統為基礎制造的加速度表，它能承受火炮發射時産生的近10.5個重力加速度的沖擊力，可以為非制導彈藥提供一種經濟的制導系統。設想中的微機電系統的軍事應用還有：化學戰劑報警器、敵我識别裝置、靈巧蒙皮、分布式戰場傳感器網絡等。

發展曆史

微機電系統是從微傳感器發展而來的，已有幾次突破性的進展：

70年代微機械壓力傳感器産品問世

80年代末研制出矽靜電微馬達

90年代噴墨打印頭，硬盤讀寫頭、矽加速度計和數字微鏡器件等相繼規模化生産

充分展示了微系統技術及其微系統的巨大應用前景

系統特點

微機電系統是微電路和微機械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級，自八十年代中後期崛起以來發展極其迅速，被認為是繼微電子之後又一個對國民經濟和軍事具有重大影響的技術領域，将成為21世紀新的國民經濟增長點和提高軍事能力的重要技術途徑。

微機電系統的優點是：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價格低廉、性能穩定等。微機電系統的出現和發展是科學創新思維的結果，使微觀尺度制造技術的演進與革命。微機電系統是當前交叉學科的重要研究領域，涉及電子工程、材料工程、機械工程、信息工程等多項科學技術工程，将是未來國民經濟和軍事科研領域的新增長點。

MEMS(微機電系統)最初大量用于汽車安全氣囊，而後以MEMS傳感器的形式被大量應用在汽車的各個領域，随着MEMS技術的進一步發展，以及應用終端“輕、薄、短、小”的特點，對小體積高性能的MEMS産品需求增勢迅猛，消費電子、醫療等領域也大量出現了MEMS産品的身影。

1.微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。

2.以矽為主要材料，機械電器性能優良：矽的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近钼和鎢。

3.批量生産：用矽微加工工藝在一片矽片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生産可大大降低生産成本。

4.集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或緻動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成複雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩定性很高的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發展的許多尖端成果。

MEMS發展的目标在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統，開辟一個新技術領域和産業。MEMS可以完成大尺寸機電系統所不能完成的任務，也可嵌入大尺寸系統中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。21世紀MEMS将逐步從實驗室走向實用化，對工農業、信息、環境、生物工程、醫療、空間技術、國防和科學發展産生重大影響。

微機電系統是微米大小的機械系統，其中也包括不同形狀的三維平闆印刷産生的系統。這些系統的大小一般在微米到毫米之間。在這個大小範圍中日常的物理經驗往往不适用。比如由于微機電系統的面積對體積比比一般日常生活中的機械系統要大得多，其表面現象如靜電、潤濕等比體積現象如慣性或熱容量等要重要。它們一般是由類似于生産半導體的技術如表面微加工、體型微加工等技術制造的。其中包括更改的矽加工方法如壓延、電鍍、濕蝕刻、幹蝕刻、電火花加工等等。微機電系統是指集微型傳感器、執行器以及信号處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的微型機電系統，是一個獨立的智能系統。主要由傳感器、作動器和微能源三大部分組成。微機電系統具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度。微機電系統。它是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統微機電系統。微機電系統涉及航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域。微機電系統的制造工藝主要有集成電路工藝、微米/納米制造工藝、小機械工藝和其他特種加工工種。微機電系統技術基礎主要包括設計與仿真技術、材料與加工技術、封裝與裝配技術、測量與測試技術、集成與系統技術等。

特點

①和半導體電路相同，使用刻蝕、光刻等制造工藝，不需要組裝、調整；

②進一步可以将機械可動部、電子線路、傳感器等集成到一片矽闆上；

③它很少占用地方，可以在一般的機器人到不了的狹窄場所或條件惡劣的地方使用；

④由于工作部件的質量小，高速動作可能；

⑤由于它的尺寸很小，熱膨脹等的影響小；

⑥它産生的力和積蓄的能量很小，本質上比較安全。

優勢

經濟利益：

1.大批量的并行制造過程；

2.系統級集成；

3.封裝集成；

4.與IC工藝兼容。

技術利益：

1.高精度；

2.重量輕，尺寸小；

3.高效能。

微型化

MEMS器件體積小，重量輕，耗能低，慣性小，諧振頻率高，響應時間短。MEMS系統與一般的機械系統相比，不僅體積縮小，而且在力學原理和運動學原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都将發生變化。在MEMS系統中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至于結構内應力與應變之間的線性關系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之間的分子相互作用力引起的，而不是由于載荷壓力引起。MEMS器件以矽為主要材料。矽的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當。密度類似于鋁，熱傳導率接近銅和鎢，因此MEMS器件機械電氣性能優良。

批量生産

MEMS采用類似集成電路(IC)的生産工藝和加工過程，用矽微加工工藝在一矽片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度，批量生産可大大降低生産成本;而且地球表層矽的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS産品在經濟性方面更具競争力。

集成化

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個傳感器或執行器集成于一體，或形成微傳感器陣列和微執行器陣列。甚至把多種功能的器件集成在一起，形成複雜的微系統。微傳感器、微執行器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩定性的微型機電系統。

方便擴展

由于MEMS技術采用模塊設計，因此設備運營商在增加系統容量時隻需要直接增加器件/系統數量，而不需要預先計算所需要的器件/系統數，這對于運營商是非常方便的。

學科交叉

集中了當今科學技術發展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統，将開辟一個新技術領域。

主要分類

傳感

傳感MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信号的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種傳感器，按種類分主要有:面陣觸覺傳感器、諧振力敏感傳感器、微型加速度傳感器、真空微電子傳感器等。傳感器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由于傳感器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來将備受世界各國的重視。

生物

生物MEMS技術是用MEMS技術制造的化學/生物微型分析和檢測芯片或儀器，有一種在襯底上制造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網絡、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件并集成為多功能芯片。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和後處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個芯片上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點，不久将為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。

光學

MEMS光學掃描儀

随着信息技術、光通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一領域是與光學相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術，開發新型光器件，稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生産、可精确驅動和控制等特點。較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:

一是基于MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調制，典型代表為數字微鏡陣列芯片和光栅光閥:二是通信系統，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變，較成功的有光開關調制器、光濾波器及複用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發。

射頻

射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動的MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

随着時間的推移和技術的逐步發展，MEMS所包含的内容正在不斷增加，并變得更加豐富。世界著名信息技術期刊《IEEE論文集》在1998年的MEMS專輯中将MEMS的内容歸納為：集成傳感器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧傳感器和智能傳感器歸入MEMS範疇。制作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要内容有:氧化層生長、光刻掩膜制作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線制作等。微加工技術的主要内容有:矽表面微加工和矽體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、制作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子技術可制造集成電路和許多傳感器。微加工技術很适合于制作某些壓力傳感器、加速度傳感器、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器、微機械等，這就能充分發揮微電子技術的優勢，利用MEMS技術大批量、低成本地制造高可靠性的微小衛星。

MEMS技術是一個新興技術領域，主要屬于微米技術範疇。MEMS技術的發展已經曆了10多年時間，大都基于現有技術，用由大到小的技術途徑制作出來的，發展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術的發展有可能會像微電子一樣，對科學技術和人類生活産生革命性的影響，尤其對微小衛星的發展影響更加深遠，必将為大批量生産低成本高可靠性的微小衛星打開大門。