浅析微机电系统的发展与应用

李霄霄

（广州工商学院，广东佛山 528100）

1.微机电系统来源及意义

1959年，美国的一名著名的物理学博士、诺贝尔奖的获得者，曾经在一场加州理工学院的年会上，发表过一篇重要演讲。在本次演讲中，这位博士提出了关于微型机械的设想。从那时起也是微机电系统时代来临的象征。

微机电系统，在后文中我们均称为MEMS。这一词是来源于美国的一场会议，而这次会议的总结报告中就提到了微机械加工技术，那时就被美国确定为一种急需发展的新技术，从此就开始被广泛流传，自此MEMS（微机电系统）就成为一个世界性的学术用语。在之后的生活中，MEMS也将更多地被应用在消费类的产品，比如手机、电脑、游戏机等领域[1]。

MEMS将微电子技术和机械工程融合到了一起，开辟了一个全新的科学技术领域，而这个技术也对国家的科技发展和国防安全等起到非常关键的作用。它可以满足人类社会实现低能和高效、以及保护环境的愿望，并且MEMS在现实生活中的一些潜在的应用，日后都将给一个国家的经济和安全带来巨大的影响。

2.国内外发展状况

目前国内外近几年关于MEMS技术发展，有几个非常重要的趋势。比如关于MEMS的应用，已经普及大家的日常生活和消费类领域。其实最早的时候，MEMS的应用还主要集中在电子、军事和汽车等领域，但由于这些领域对于产品的性能要求太高，所以基本也仅仅采用少批量、多品种的生产的方式[2]。

同时在技术方面，关于MEMS的设计也正在从定制化转为标准化。利用它的构造，将它作为产品的内核，就可以在设计的时候被重复利用，以此来降低的设计难度，也节约了成本，最终就能提高它的设计效率。之后随着MEMS设计的推进，它的制造工艺与集成电路的生产工艺也会进一步融合加强，用这种技术结合来生产MEMS产品，会带来许多优势，比如在电路融合的技术上，就可以很大程度地提升电路的连接性能，这也非常适合我国未来产品小型化的要求。

3.MEMS的基本概念

MEMS是随着集成电路、微细加工和超精密机械加工技术发展起来的。它是以微电子和材料为基础制造出的一种微型机械。可以把它分为几个独立的功能单元，将不同的信号输入后，微执行器就会与外界产生作用，可以将图1作为参考，这就是一个理想的MEMS微机电系统模型结构图。

图1 理想的微机电系统模型结构图

在美国通常认为微机电系统称是由不同的许多微型机械元件组成的，同时它也很适合批量生产。欧洲则称它为微系统，换句话说，将它描述为一种比较智能的微小系统，也可以说是微型器件，同时它也具有传感、和信号处理的功能。而日本通常认为它是从制造大机器到小机器发展而来，则习惯称它为微型机械，这种机械虽然不大，但它的构成组件也是非常的复杂，而且许多复杂的任务和指令基本能完成。

其研究内容大致可以包含以下3个方面：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，因此原来的很多理论基础都会发生变化，如力的尺度效应、微观摩擦机理等，这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，还需要进行更深入的研究[3]。

4.MEMS的基本特征

微机电系统的基本特征是尺度微型化和系统集成化，它的出现是科学创新和发展成果的体现，同时MEMS也有许多的优点，例如体积小、重量轻、耐用性好、价格低廉，它侧重去采用集成电路（IC）来对器件进行加工合成，同时它的性能也较为稳定。总结归纳起来MEMS大致有以下几个特征：

（1）微型化。MEMS器件的体积小、重量也很轻，如果将这些微型化的器件作为主要的材料，构成的电器机械系统都会表现出较好的性能，同时由于它的振动频率较大，也可以降低耗能。

（2）集成化。MEMS的集成化把不同功能的传感器集成于一体，构成复杂的微系统，同时它将这些不同微电子器件的集成于一体，就可以让这个微型机电系统更加地稳定和耐用。

（3）批量生产。MEMS器件以硅为主要材料，通过硅微加工，基本实现在同一个硅片上制造出成千上百个微型机电系统，这种批量生产极大地降低了生产成本。

（4）多学科交叉。目前MEMS所涉及到的领域广泛，例如机械、器械、电子产品、制造业等，尤其在生物、物理等多个学科上，随着科学的发展也呈现了许多高端成果。

MEMS和普通机械系统区别很大，它可以嵌入进大型机电系统中，使其更为智能化。在21世纪，我相信MEMS会逐步走出实验室，走入大家的生活，在许多科技技术领域为人类带来许多便利。

5.微机电系统的发展

我们可以暂时将微机电系统描述为：一种获取处理信息以及执行机械操作的一种集成器件。由于它也可以很大程度上使运行系统更加的智能化，同时由于它功耗较小，也有比较强的抗冲击能力，因此它也比较适合在恶劣或极端条件下使用。随着社会的进步和发展，MEMS覆盖的领域也会越来越广泛，普及到每个人的日常生活中去[4]。

MEMS算是一个新兴技术领域，现在也有一批批新的集成器件不断涌现出来。它的发展很大程度上提高了器件的运转效率，已经对国家乃至人民的生活都产生前所未有的影响，其在民用领域及军用领域都有着广泛的应用前景。

6.微机电系统的应用及展望

自微机电系统从诞生以来，它就逐渐成为大家研究的“新宠儿”。在我国也是一种较为前沿的研究领域，它涉及很多领域，例如电子、机械、以及物理学、化学和医学等。同时它也广泛地进入我们日常消费生活中，例如在轮胎里加入传感器，在医学上测量血压等。

其实，除了要机械、制造与MEMS有关的技术外，更重要的是，就如何将这个技术与网络通信、航空航天、化学生物、医疗等更多的领域相结合，在这个基础上，慢慢研制开发出能符合这些领域要求的微传感器、微执行器等MEMS器件。在现阶段，航空航天、信息通讯和生物医药这些领域，对器件的要求性都越来越高，要求也越来越精密。如果能够实现在很小体积下集成更多功能单元，如果能减小设备的体积，实现功能单元，就会节约大量的成本，对这些领域的发展甚至对我国经济的发展，都会有非常大的推动作用。