微机电系统的研究与应用

肖 顺

(南昌航空大学，江西 南昌 330063)

微机电系统(micro-electro-mechanical,简称MEMS)一词源于美国，日本称为微机械(micro-machining),欧洲称为微系统(microsystem)是指利用微电子精细加工手段制造微米量级内的设计和制造技术。美国北卡罗纳州科研三角园主任克伦·马卡斯说过：“微系统就像塑料一样到处都用，像细菌一样无孔不入。”因此微系统将成为21世纪最具挑战性的科学技术领域之一，它将使人类认识、改造世界的能力有巨大的突破。同时，微机电系统作为新兴的高新技术产业，将成为世界瞩目的最具潜力的科学技术之一。

1 微机电系统及其特点

微机电系统是指外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米量级(10-6～10-9m),可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。MEMS主要包括三个部分，即微型传感器、执行器和相应的处理电路。自然界的各种信息作为输入信号首先通过微传感器转化成电信号，经信号处理后再由微执行器对外界发生作用。微传感器能实现能量的转化，从而将加速度和热等信号转换成系统能够处理的电信号。微执行器就是根据信号处理来控制电路发出的指令，自动地完成人们所需要的各种功能。信号处理部分能够根据控制电路来进行信号的转换、放大及计算等处理。MEMS系统还能通过光、电、磁等形式与外界进行通讯，并显示输出信号，或与其它系统协同工作，从而构成一个更加完整的系统。图1为MEMS系统与外部世界的相互作用示意。

图1 MEMS系统与外部世界的相互作用示意

MEMS具有如下特点：

(1)微型化：微系统器件的体积小、重量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短；

(2)以硅为主要材料的MEMS器件，其机械电气性能优良；

(3)可批量生产：利用硅微加工工艺在一块硅片上可同时实现上千个微机械部件或完整的MEMS的制造，从而大大降低生产成本。

(4)集成化：MEMS可以把多个器件集成于一体形成更加复杂的微系统。这样将微传感器、微执行器和微电子器件集成于一体所组成的MEMS具有更高的可靠性和稳定性。

(5)方便扩展：MEMS技术采用了模块设计，当扩展系统容量时，就不需要预先计算所需器件/系统数，直接增加器件/系统数量即可，这样使扩展容量更加高效便利。

(6)多学科交叉：微机电系统本质上是一种典型的多学科交叉的前沿性的研究，集电子、材料、机械、信息与自动控制、生物医学、化学、物理和能源等多种科学技术发展的简单成果于一身，同时MEMS也为其它学科的研究与发展提供了有利的工具。

2微细加工技术

(1)体硅加工技术

体硅微加工技术是通过腐蚀、镀膜、键合等工艺，在硅基体上有选择性地除去一部分硅从而获得所需微结构的工艺。按照刻蚀剂的类型分为干法刻蚀和湿法刻蚀，湿法刻蚀又分为各向同性刻蚀与各向异性刻蚀。体硅微加工技术的优点是能获得深宽比较大的结构、机械性能好、加工工艺简单。缺点是与IC工艺不易兼容、加工成本较高。

(2)硅表面微机械技术

硅表面微机械加工技术是以硅为衬底，利用氧化、沉积、光刻、刻蚀等加工工艺，在牺牲层上沉积多层薄膜图形，然后利用化学方法去除牺牲层，从而获得微结构图形。此加工技术加工出的微结构比用体硅微加工技术加工出的微结构要小，此外，利用硅表面微加工技术可以加工出外形简单、厚度为几微米的器件，并且能与IC工艺完美的兼容。

(3)固相键合技术

固相键合技术是指不用液态粘结剂将两块固体材料紧密地结合起来，并且键合过程中材料始终处于固相状态的一种方法，主要包括静电键合和直接键合两种方法。

(4)LIGA技术

LIGA(Lithografie，Galvanoformung，Abformung)技术是深度X射线刻蚀、电铸成型和微复制工艺的完美结合。其工艺过程为：首先利用同步辐射X射线光刻，将掩模图案复制到光刻胶上，然后将金属沉积填满光刻胶图案的空隙，最后将母板进行微复制即可得到高深宽比的微结构。

3 MEMS的应用

当今，随着医药、环保、生物、国防、航空、航天以及通讯的迅猛发展，微型化、集成化、智能化已经成为科学技术的主要发展方向。MEMS具有许多传统传感器所无法比拟的优点——微型化、集成化、智能化、批量化、性能高、成本低等，这些优势使其在国防、航空航天、工业、医学和生物工程、信息处理和通讯、农业和家庭服务等领域都有着十分广阔的应用前景。

(1)微型构件

由微细加工技术制造出的三维微型构件有：微齿轮、微涡轮、微电动机、微探针、微轴承、微弹簧、微光学器件等。它们都是MEMS的基础机械部件。随着微机械设计和加工水平的不断提高，更多的微型构件可以被制造出来。

(2)微传感器

微传感器是微系统器件中使用最广泛的一种。它是一种能将能量从一种形式转变为另一种形式的器件，能有效地测出压力、力、力矩、位移、加速度、流量、磁场、温度、浓度等物理量和化学量。微传感器的种类有很多：声波传感器、生物医学传感器、生物传感器、化学传感器、光学传感器、热传感器、压力传感器等。微型传感器正朝着智能化、集成化的方向发展。

(3)微执行器

微执行器是复杂MEMS的关键。常用的微执行器主要有微电机、微开关、微谐振器、微阀门和微泵等。其中微电机是一种最典型的微执行器，可以分为直线式和旋转式两类。将微执行器分布成阵列可以达到意想不到的效果，例如可用于物体的搬运、定位。微执行器的驱动方式主要有以下几种：形状记忆合金驱动、热力驱动、压电晶体驱动和静电驱动等。

(4)微型器件及系统

研究和发展微系统的根本目的就是制造出各种领域的实用MEMS器件。应用较多的是医疗以及外科手术设备，如人造器官、体内施药和取样微型泵、微型手术机器人等；航空航天领域中的微型导航系统、微型卫星、微型飞机等；光学器件方面主要有光开关、光交换器和光存储器等；微能源领域主要有微型内燃机系统、微燃料电池、微蓄电池等。

4 结束语

MEMS是在微细加工技术和IC技术结合的基础上发展起来的，它本质上是一种典型的多学科交叉的前沿性的研究。微系统的重要性不在于其产品本身的尺寸，而是其所利用的微细加工技术。微系统的工艺和设备必将会给我们的生活带来巨大的影响。

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