点亮微机电系统的“启明灯”

闫佳

“不积跬步，无以至千里：不积小流，无以成江海。”对于北京大学信息科学技术学院副研究员张威来说，MEMS带给他的就是千里之行路上的一小步，江河湖海里的一条小细流，但看似微不足道的每一步、每一条细流最终却能汇聚成无穷的力量。

张威所说的“MEMF”亦称为微机电系统，是一种将微电子技术与机械工程融合到一起的新型工业技术，研究对象仅有微米大小，操作范围也在微米尺度内。除了微电子以外，MEMS涉及范围极其广泛，材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域都在其中，学科面涵盖微尺度下的力、电、光、磁、声、表面等物理、化学、机械学的各分支。“比较通俗地讲，MEMS就是一种可以由大变小的技术，最初来源于美国，一般是由类似于生产半导体的技术制造的，微型化的尺度大概是从毫米到微米量级的，以芯片形式为主，但不仅限于芯片。”张威介绍道。初遇：与微机电系统结缘

1990年，张威从哈尔滨船舶

工程学院（今哈尔滨工程大学）机械系毕业，被分配到东北传感技术研究所，从事传感器的有关研制工作。转眼4年过去，尽管从工作中积累了大量的实践经验，认为“学习无止境”的张威还是忘不了心中的“考研情结”，再次回到哈尔滨船舶工程学院学习。

事实证明，张威的考研之路并没有选错，期间，由于表现优秀，他被单位选派前往美国RAE SYSTEMS公司做了一年的访问学者。“在美国这一年，给了我很大的触动，不仅大大拓宽了学术眼界，还接触到了领域内的许多新设备、新技术。”而张威口中所说的“新设备、新技术”就是微机电系统，此后，他也开始了与微机电系统的不解之缘。“边学习边工作的经历使我没有作为学生的迷茫期，更敢想敢干。”张威说。

这种半工半读的经历使张威积累了极其丰富的“实战经验”，他逐渐发现微机电系统在现实中是非常“有用”的。“比如喷墨打印机里的微型喷头”，张威举例道。另外，微机电系统还可以制作MEMS加速度传感器来控制汽车发生碰撞时安全气囊防护系统的开启：或者MEMS陀螺在汽车里测定汽车倾斜，并以此控制汽车姿态：亦或是在轮胎里作为胎压监测系统（TPMS）的核心部件MEMS压力传感器使用。

“这些都是微机电系统最为常见的应用。”他说。这种极其广泛的应用市场也预示着微机电系统有着多种原材料和制造技术的选择条件。其中，硅作为制造集成电路的主要原材料，其作用不容小觑。目前，电子工业中已有丰富的实用硅制造极小结构的经验，而硅的物质特性优点也一直被研究人员津津乐道：单晶体的硅几乎没有弹性滞后的现象，因此耗能微乎其微，运动特性也非常可靠。此外，硅不易疲劳折断，其使用周期甚至可以达到上兆次。腾飞：汽车EsP的防范之途

如果让司机说到在开车中最重视的一点，无疑都离不开“安全”二字，随着微电子技术和控制技术的不断发展，越来越多的电子控制装置应用于汽车中，提高主动安全性更是现代汽车研究的重要课题之一。谈起微机电系统在汽车中的应用，张威一下子来了兴趣：“从最早的机械结构到现在的产品逐步升级，传感器的研究就像是一个进化过程，我对它的研究就是在这样的升级路上，一步步走过来的，事实证明，这条路也是正确的。”

提高汽车主动安全性就意味着汽车电子稳定性的提升，而制动压力传感器与横摆角速度侧向加速度传感器作为汽车电子稳定性程序EsP的核心，所采集的压力、加速度和加速度信号在EsP控制系统中，可用来估算摩擦系数、侧向速度、车轮和车辆的实际侧偏角以及轮胎力等附加变量值：值得一提的是，横摆角速度传感器还可在在车辆运动控制的时候提供汽车的实际横摆运动状态。张威及研究团队研究的项目“汽车EsP（电子稳定系统）用系列微传感器”就对此进行了详细的解读，还成功申报了国家高技术研究发展计划（863计划）专题课题。

张威及团队针对汽车底盘EsP系统及其他汽车需求，研制了横摆角速度、侧向加速度传感器和制动压力传感器。突破了设计、加工、封装、稳定性和可靠性等关键技术。“与以往相比，这项研究在车载横摆加速度传感器的设计、加工等技术上更加实用化，传感器与EsP的接口技术也是另外一个亮点，大大满足了车载要求的可靠性考核。”张威补充道。

宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来。張威的一项项研究，一次次荣誉都是他在微机电系统领域走出的一片天地。而他也深知，这场无声的“科研硝烟”远远没有结束，战火的轰鸣声还不绝于耳，他身上的责任也在迫使他继续踏上微机电系统研究的新征途，点起无数个“启明灯”。