MEMS對信息技術發展的影響與前景

王鴻雁

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內蒙古 赤峰 024000）

MEMS對信息技術發展的影響與前景

王鴻雁

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內蒙古 赤峰 024000）

美國生物學家貝塔朗非創立的系統論是信息技術發展的基礎之一.系統論思想也已深入自然科學、社會科學的各個領域.目前信息技術一體化已成為必然的發展趨勢，本文從信息技術發展的系統性要求出發，闡述了MEMS在信息技術一體化中的作用和在未來發展中的重要性.

MEMS;系統論；信息技術

M E M S是英文M i c r oE l e c t r oM e c h a n i c a ls y s t e m s的縮寫，即微電子機械系統.微電子機械系統(M E M S)技術是建立在微米/納米技術（m i c r o/n a n o t e c h n o l o g y）基礎上的2 1世紀前沿技術，是指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術.完整的M E M S是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統.其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成于大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平.它用微電子技術和微加工技術(包括硅體微加工、硅表面微加工、L I G A和晶片鍵合等技術)相結合的制造工藝，制造出各種性能優異、價格低廉、微型化的傳感器、執行器、驅動器和微系統.

M E M S技術的發展開辟了一個全新的技術領域和產業，采用M E M S技術制作的微傳感器、微執行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景.M E M S技術正發展成為一個巨大的產業，就象近2 0年來微電子產業和計算機產業給人類帶來的巨大變化一樣，M E M S也正在孕育一場深刻的技術變革并對人類社會產生新一輪的影響.目前M E M S市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等.大多數工業觀察家預測，未來5年M E M S器件的銷售額將呈迅速增長之勢，年平均增加率約為1 8%，因此對對機械電子工程、精密機械及儀器、半導體物理等學科的發展提供了極好的機遇和嚴峻的挑戰.

M E M S是系統論思想在信息技術中最集中的體現和運用.系統一詞，來源于古希臘語，是由部分構成整體的意思.今天人們從各種角度上研究系統，對系統下的定義不下幾十種.通常把系統定義為：由若干要素以一定結構形式聯結構成的具有某種功能的有機整體.系統論是研究系統的一般模式，結構和規律的學問，它研究各種系統的共同特征，用數學方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統的原理、原則和數學模型，是具有邏輯和數學性質的一門新興的科學.

系統思想源遠流長，但作為一門科學的系統論，人們公認是美籍奧地利人、理論生物學家貝塔朗非（L.V o n.B e r t al a n f f y）創立的.他在1 9 5 2年發表“抗體系統論”，提出了系統論的思想.1 9 3 7年提出了一般系統論原理，奠定了這門科學的理論基礎.但是他的論文《關于一般系統論》，到1 9 4 5年才公開發表，他的理論到1 9 4 8年在美國再次講授“一般系統論”時，才得到學術界的重視.確立這門科學學術地位的是1 9 6 8年貝塔朗菲發表的專著：《一般系統理論基礎、發展和應用》(《G e n e r a l S y s t e m T h e o r y;F o u n d a t i o n s,D e v e l o p ment,A pp l i c a t i o n s》）,該書被公認為是這門學科的代表作.

系統論認為，整體性、關聯性，等級結構性、動態平衡性、時序性等是所有系統的共同的基本特征.這些，既是系統所具有的基本思想觀點，而且它也是系統方法的基本原則，表現了系統論不僅是反映客觀規律的科學理論，具有科學方法論的含義，這正是系統論這門科學的特點.

系統論的核心思想是系統的整體觀念.貝塔朗菲強調，任何系統都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的新質.他用亞里斯多德的“整體大于部分之和”的名言來說明系統的整體性，反對那種認為要素性能好，整體性能一定好，以局部說明整體的機械論的觀點.同時認為，系統中各要素不是孤立地存在著，每個要素在系統中都處于一定的位置上，起著特定的作用.要素之間相互關聯，構成了一個不可分割的整體.要素是整體中的要素，如果將要素從系統整體中割離出來，它將失去要素的作用.正象人手在人體中它是勞動的器官，一旦將手從人體中砍下來，那時它將不再是勞動的器官了一樣.

系統論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對象，當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素、環境三者的相互關系和變動的規律性，并優化系統觀點看問題，世界上任何事物都可以看成是一個系統，系統是普遍存在的.大至渺茫的宇宙，小至微觀的原子，一粒種子、一群蜜蜂、一臺機器、一個工廠、一個學會團體、……都是系統，整個世界就是系統的集合.系統論反映了現代科學發展的趨勢，反映了現代社會化大生產的特點，反映了現代社會生活的復雜性，所以它的理論和方法能夠得到廣泛地應用.M E M S自身的特性使得它成為系統論思想的最集中體現，而M E M S的大行其道也是由信息技術發展的系統性要求所決定的.

M E M S是一種全新的必須同時考慮多種物理場混合作用的研發領域，相對于傳統的機械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個厘米，甚至僅僅為幾個微米，其厚度就更加微小.采用以硅為主的材料，電氣性能優良，硅材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度與鋁類似，熱傳導率接近鉬和鎢.采用與集成電路（I C）類似的生成技術，可大量利用I C生產中的成熟技術、工藝，進行大批量、低成本生產，使性價比相對于傳統“機械”制造技術大幅度提高.

完整的M E M S是由微傳感器、微執行器、信號處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統.其目標是把信息的獲取、處理和執行集成在一起，組成具有多功能的微型系統，集成于大尺寸系統中，從而大幅度地提高系統的自動化、智能化和可靠性水平.

沿著系統及產品小型化、智能化、集成化的發展方向，可以預見：M E M S會給人類社會帶來另一次技術革命，它將對2 1世紀的科學技術、生產方式和人類生產質量產生深遠影響，是關系到國家科技發展、國防安全和經濟繁榮的一項關鍵技術.

制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產品.但矛盾之處在于，隨著技術的改進，價格往往也會出現飆升，所以這就導致一個問題：制造商不得不面對相互矛盾的要求——在讓產品功能超群的同時降低其成本.

解決這一難題的方法之一是采用微機電系統，更流行的說法是M E M S，它使得制造商能將一件產品的所有功能集成到單個芯片上.M E M S對消費電子產品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實現尺寸和重量的減小.事實上，大多數消費類電子產品所用M E M S元件的性能比已經出現的同類技術大有提高.

手持式設備制造商正在逐漸意識到M E M S的價值以及這種技術所帶來的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉向成功的M E M S公司，其所實現的成本削減幅度之大，將影響整個消費類電子世界，而不僅是高端裝置.M E M S在整個2 0世紀9 0年代都由汽車工業主導；在過去幾年中，由于i P h o n e和Wi i的出現，使全世界的工程師都看到運動傳感器帶來的創新，使M E M S在消費電子產業出現爆炸式的增長，成為改變終端產品用戶體驗以及實現產品差異化的核心要素.

國內M E M S芯片（D i e）供應商主要有：上海微系統所、沈陽儀表所、電子部1 3研究所、北京微電子所等，目前形成生產的主要是M E M S壓力傳感器芯片（D i e）.

M E M S第一輪商業化浪潮始于2 0世紀7 0年代末8 0年代初，當時用大型蝕刻硅片結構和背蝕刻膜片制作壓力傳感器.由于薄硅片振動膜在壓力下變形，會影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉換成電信號.后來的電路則包括電容感應移動質量加速計，用于觸發汽車安全氣囊和定位陀螺儀.

第二輪商業化出現于2 0世紀9 0年代，主要圍繞著P C和信息技術的興起.T I公司根據靜電驅動斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現在仍然大行其道.

第三輪商業化可以說出現于世紀之交，微光學器件通過全光開關及相關器件而成為光纖通訊的補充.盡管該市場現在蕭條，但微光學器件從長期看來將是M E M S一個增長強勁的領域.

目前M E M S產業呈現的新趨勢是產品應用的擴展，其開始向工業、醫療、測試儀器等新領域擴張.推動第四輪商業化的其它應用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經元探針，以及所謂的“片上實驗室”生化藥品開發系統和微型藥品輸送系統的靜態和移動器件.

在M E M S領域摩爾定律將不再適用，某個具備質量的物體是無法按照摩爾定律闡述的規律將體積縮小和提高集成度的.M E M S系統集成度的提高途徑會與傳統晶體管迥異，將主要通過空間的三維集成方式.

第一次工業革命將能量轉變為機械運動，開創了機器的時代；第二次革命的標志是以晶體管為代表的半導體行業的興起，實現了計算能力的提升；而第三次革命將由傳感器件主導.M E M S的意義遠遠超過一個簡單的微器件，因為如果你能將機械、計算和感知這三次技術革命的成果有機地整合到一起，你將獲得真正的，甚至能與人類相匹敵的智能“生命體”.此外，M E M S最核心的部分是將器件、信號處理、算法等多方面整合起來的能力.

“我們目前處在一個機器感知的技術時代，M E M S傳感器將普通的運動轉化為用戶交互式操作的一部分.M E M S的增長將突破某個領域的局限.其在汽車中大量應用之后又用于醫療領域；今天在消費產品和體育、保健等電子產品中顯現了更大的潛力.M E M S今后將如何發展？我認為首先依賴于更多應用上的創新；第二是制造技術上的進步，即如何將產品性價比變得更高，如何使更多的軟件和算法能集成到器件中來，并實現即插即用等功能.”

從目前來看，信息技術一體化的要求越來越迫切，可以預見在不遠的將來高度一體化的信息設備將成為社會的重要基礎設施之一.由此看來，M E M S的意義遠遠超過一個簡單的微器件，M E M S最核心的部分是將器件、信號處理、算法等多方面整合起來的能力.只有通過M E M S，我們才有可能在最大程度上實現全球信息一體化的美好夢想.

〔1〕http://baike.baidu.com/view/37086.htm?fr=ala0_1_1.

〔2〕魏洪森.系統論.世界圖書出版公司，2009.

〔3〕http://www.esmchina.com/TECHTERM/ART/MEMS.HTM.

〔4〕http://article.ednchina.com/Other/Intelligent_machines_MEMS_driven_third_revolution.

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1673-260X（2010）10-0039-02

內蒙古自治區高等學校科學研究項目（NJzc08157）