微机电系统及其发展

摘要：微机电系统(MEMS)是一个多学科交叉的前沿科学研究领域。本文介绍了微机电系统的组成、研究背景以及发展状况，最后分析了目前微机电技术存在的问题以及今后的发展方向。

关键词： 微机电系统；加工工艺；MEMS

1 引言

传统机电系统包括电子控制、机械和传感执行部分。微电子学的兴起使电子系统部分变得微型化。而微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）对非电子系统部分也进行了微型化处理，使其具有体积小、重量轻、功耗低和机械电子合一等优点。MEMS包括微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分[1]。自然界各种信息通过微型传感器转换成电信号，经过信号处理后由微型执行器对外界发生作用，信号处理部分还能以光、电、磁等形式与外界进行通信和输出，图1为MEMS系统与外界相互作用示意图。通过将微型传感器、微型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机电系统。因此，MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事等许多领域都有着很广阔的应用前景[2]。

图1 MEMS系统与外界相互作用示意图

美国1987年举行的IEEE Micro-robots and Tele-operators研讨会首次提出微机电系统（MEMS）一词，标志微机电系统研究的开始，随后加州大学伯克利分校用硅片刻蚀工艺开发出静电直线微电机和旋转微电机，引起世界极大轰动[3]。美国国家自然基金会和美国国防部都将微米/纳米级微系统列为优先重点发展项目，投入巨额资金进行研究开发。而日本则启动了2.5亿美元的“微机械十年计划”。东京大学研制出了1cm大小的爬坡微型机械装置，名古屋大学研制出一种不需要电缆，用于微小管道检测的爬行机器人，它是通过管外的电磁线圈产生的磁场来控制其运动的。目前MEMS器件已经实现了产业化，如微型加速度计、微型压力传感器、数字微镜器件（DMD）、喷墨打印机的微喷嘴、生物芯片等，并且应用领域十分广泛，如在任天堂Wii和苹果iPhone等产品中就加入了MEMS加速度传感器。近年来国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，说明MEMS技术全面发展和产业快速起步的阶段已经到来。有人预测，MEMS如同微电子和计算机一样，也将会给人类的科技文明带来巨大的变化。

中国MEMS研究始于1989年，在国家“八五”和“九五”计划期间，得到了科技部、教育部、中国科学院、国家自然科学基金委和原国防科工委的支持，累计投入资金约为1.5亿人民币。在“十五”期间，MEMS正式列入863计划中的重大专项中。许多高校和科研院所都参与到MEMS的研发领域中，已初步形成了京津、华东、华北、东北、西南、西北等MEMS研究能力集中的几个区域。经过多年的发展，我国在微型惯性器件和惯性测量组合、机械量微型传感器和制动器、微流量器件和系统、生物传感器和生物芯片、微型机器人和微操作系统、硅和非硅制造工艺等方面取得一定成果，初步形成了MEMS设计、加工、封装、测试的一条龙体系，但在质量、性能价格比及商品化等方面与国外差距还很大。

2 微机电系统面临的问题

2.1MEMS基础理论

MEMS与宏观机电系统相比，许多物理现象有很大的区别，比如，随着尺寸的减小，与尺寸3次方成比例的像惯性力、体积力及电磁力等的作用将明显减弱；而与尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、静电力及摩擦力等的作用则明显增强，并成为影响微机械性能的主要因素[4]。宏观机械常使用的计算方法和理论将不再适用，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。

2.2MEMS测试

MEMS测试技术是MEMS加工技术的重要组成部分，其检测的参数包括几何量、力学量、电磁量、光学量和声学量。加工过程测试技术主要包括MEMS用材料性能测试、MEMS产品加工过程参数测试和MEMS芯片基本功能测试。通过测试技术，就能保证MEMS产品的加工质量和稳定的批量生产。但目前，缺乏在线测试的专用自动化设备和系统是MEMS发展需要解决的一个问题。

2.3MEMS器件的可靠性

造成MEMS机械结构失效的常见原因有粘附、杂质玷污和加工过程中的残余应力等。机械结构和衬底之间的粘附问题一般出现在机械结构释放的过程中，其可能是范德瓦尔斯力或氢键的作用造成的。而由于存在沉积、退火和牺牲层等工艺，薄膜中的残余应力往往是不可能避免的。因此，有必要对其失效的原因进行深入细致的研究。另外，掌握了失效的机理和规律后，如何在MEMS器件的设计、制造和使用中避免失效和性能下降也将是MEMS可靠性研究的重要方向。

2.4MEMS封装

MEMS封装远比集成电路的封装复杂得多。为了给MEMS可活动部分提供足够的活动、可动空间，需要在外壳上刻蚀或留有一定的槽形及其他形状的空间[5]。此外，多数MEMS封装外壳上需要留有同外界直接相连的非电信号通路，如光、磁、热、力等一种或多种信息的输入。由于需要提供有效的保护空间和输入信号界面的复杂，对MEMS封装提出了更高的技术要求。目前，MEMS封装具有很强的专用性，以适应不同的MEMS器件在各种特殊的环境下正常工作。因此，MEMS封装费用约占MEMS产品成本的20~90%以上，很大程度上限制了MEMS产品的市场化进程。

3 结束语

MEMS作为一个新兴的领域，其发展将会深远地影响到人类科技的进步和社会的变革，将为人们的生活提供更多的便利和舒适。研究方向的多样化、新材料的研究和开发，加工工艺多样化和系统的进一步集成化和功能化是MEMS技术的发展趋势。我国应对MEMS的研发投入更多的资金和支持，培养出一批该领域的科技人才和专家，建立和完善我国MEMS的技术创新体系。

参考文献：

[1] 张威，张大成，王阳元. MEMS概况及发展趋势.微纳电子技术[J]，2002，（1）

[2] 孙柏林. 微型机电系统技术及其 21 世纪应用展望. 测控技术[J]，1999，18（1）

[3] 林忠华等. 微机电系统的发展及其应用. 纳米技术与精密工程[J]，2004，（2）

[4] 徐毓龙，徐玉成. 微机电系统(MEMS)的应用. 测控技术[J]，1999，18（1）

[5] 胡雪梅，吕俊霞. 微机电系统的发展现状和应用. 机电设备[J]，2005，（6）

作者简介：

张乐莹（1983~），女，江西萍乡人，南京理工大学泰州科技学院机械工程学院，讲师，硕士研究生，主要教授课程：机械CAD/CAM/CAE技术、工程材料及成型工艺以及机械专业英语。