微机电系统应用与发展综述

微机电系统应用与发展综述摘要：微机电系统(MEMS)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。该文指明了 MEMS技术的发展面临的问题及趋势，有望在近几十年将大量先进的MEMS器 件从实验室推向实用化和产业化。关键词：微机电系统；微电子学；微机械学；自动控制Abstract: Micro-electromechanical systems (MEMS) rise in microelectronics technology based on a multi-disciplinary frontier. Intensive many cutting-edge achievements of todays scientific and technological development in the field of automotive electronics, aerospace, communications, biomedical, automatic control, national defense and military industry broad application prospects. The article pointed out the issues and trends facing the development of MEMS technology, expected in recent decades a large number of advanced MEMS devices from the lab to practical and industrialization.Key words: micro-electro-mechanical systems; microelectronics; micromechanics; automatically control引言随着微纳米科技和微电子技术的发展，微机电系统（MEMS）因自身尺寸微 小或者操作尺度很小的特点使其成为一种高科技微机电系统，通过这种高科 技人们可以在微观领域认识和改造客观世界。微机电系统由微机械加工制作的包 括微机械执行器、微机械传感器、微机械器件等这些微机械作为基础部分，再加 上微能源和一些由集成电路加工制作的高性能的电子集成线路而组成的微机电 器件、装置或者系统。MEWS涉及到多种学科，主要包括徽电子学、微机械学、 自动控制、化学、生物、物理以及材料科学等，是近二三十年发展起来的一门高 新技术的新兴的交叉边缘学科。1我国微机电系统发展面临的问题1.1MEMS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，和尺寸的5次方成比例的体积力、电磁力及惯性力等的作用都将明显 减弱；而与尺寸的2次方成比例的表面力、粘性力、摩擦力及静电力等的作用则 明显增强，并且变成影响微机械性能的主要因素。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。1.2MEMS 测试MEMS测试技术是MEMSJ /I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IMEMS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。1.3MEMS 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70%至80%，很大程度上限制了 MEMS产品的市场化进程。2.MEMS典型应用及最新进展2.1微机器人微机器人可以用于定点喷洒农药来消灭害虫，因此，在农业上可以得到广泛 应用。除此之外，微机器人还可以在核工业上用来处理核电站危险事故，在医学 上完成在人体血管、消化管、腹腔内的微切割和微注射作业等。以色列已经研制 出了一种直径仅为1mm、长度4mm的微机器人，该机器人可以进入人体的血管 然后将药物送往人体各个部位。在不久的将来，分子和原子的运载有可能通过该 种机器人和其他纳米机器共同完成。2.2微纳传感器和传统的普通传感器相比，微纳传感器有着高灵敏、微体积、恶劣工作环境 适应性等许多方面的突出优势，因此备受推崇。现在正在研究甚至已经产业化的 微纳传感器涉及众多领域。最近国外就报道了一种用于流量测量和颈动脉压力无 线式电容微传感器，该电容微传感器体积、功耗都极小，但是功能却相当强大。 国内目前也涌现出许多具有代表性的微传感器成果，例如清华大学研制的超声频 段声传感器、西安交大研制的抵抗瞬时高温冲击的高温微压力传感器等。2.3微型生物芯片作为新一代生物技术，微型生物芯片技术成为当今世纪最受科研人员注目的 高新技术之一。微型生物芯片是利用微电子技术和微细加工技术在厘米见方的玻 璃或硅片等材料表面上构建微型的生物化学分析系统，从而实现对蛋白质、DNA 细胞以及其他生物成分的快速、准确大信息量的检测。蛋白芯片、基因芯片、细 胞芯片、色谱芯片为代表的微流路芯片和组织芯片为主流的毛细管电泳芯片、聚 合酶链反应（PCR）芯片、微阵列芯片是目前较为有名的生物芯片。3. 微机电系统发展展望3.1生化传感纳米化生物医学和微纳米技术的结合这一方向是MEMS发展的重点之一，未来的 研究热点将是利用分子自组纳米加工技术开发新型的微纳生化传感器。这种传感 器主要由因检测芯片、蛋白质芯片、药物筛选芯片、病毒检测芯片、纳米磁性生 物传感器、纳米声波生物传感器、纳米电化学传感器等组成。纳米加工技术和纳 米材料发展将使得未来的生化传感器朝纳米化、高灵敏度、低成本方向发展。3.2功能多元集成化在未来的几年时间里，多功能化、集成化和智能化将是微机电系统研发的重 点之一。将多个功能不同的微执行器或者传感器组合在一起，形成具有特定高级 功能的一种微系统，满足高可靠性、高精度及独特性的需求，这些研究成果在医 疗环保、网络通信、国家安全、航天航空等领域都有着极为诱人的应用前景。比 如光交换可以由集成有上万面MEMS二维可动微镜的路由器实现；纳米卫星微 波通信也可以由成批生产的专用集成微型仪器实现。3.3制作材料多样化开发出新型的材料对MEMS进行制造与封装也会是一个极具有潜力的研究 领域，这将进一步促进材料的多样化。除砷化镓、多晶硅、硅等半导体以外，其 他许多材料也可以应用到MEMS中，如混合陶瓷、纳米金、高分子聚合物、碳 纳米管复合材料、巨磁电阻材料等，以适应微机电系统这一特殊的应用需要。许 多新的原料，比如传导性聚合物、形状记忆聚合物、聚偏氟乙烯（PVDF）压电聚 合物、电场活化聚合物已被用来开发聚合物基MEMS。4. 关于发展我国MEMS的几点建议4.1以应用，需求为目标，推动MEMS的快速发展在发展战略上，应采取目标产品带动关键技术,系统研究带动器件开发，具体 任务带动学科发展的方式，最终建立我国的MEMS产业。4.2看准态势，把握方向充分利用已有的基础，掌握国内外MEMS的发展态势,有重点地抓住当前几 个发展方向:生命科学应用（生物芯片），信息科学应用（RFMEMS，ITMEMS，微型传 感器），航空航天应用（微型卫星,微型飞行器）等。4.3统筹规划，集中决策，发挥优势，大力协同我国经过10多年的发展，对于MEMS技术和开发已经有了一定的基础，但 是，目前大多数的研究工作都只是停留在实验阶段，而且水平也还处于较低的层 次，重复问题也比较严重。MEMS技术要想更进一步发展，就需要有关产业部 门的参与，并且制定一些导向性的方针,政策来为技术基础设施和产业的共性技术 提供支撑。5.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杨春生.微机电系统及相关技术M.上海交通大学出版杜，2008.王阳元.MEMS概况及发展趋势.微纳电子技术J, 2008.3徐玉成.微机电系统(MEMS)的应用.测控技术J, 20094石庚辰，郝一龙.微机电系统技术基础M.中国电力出版社，2010.