微機電系統及其發展

摘要：微機電系統(MEMS)是一個多學科交叉的前沿科學研究領域。本文介紹了微機電系統的組成、研究背景以及發展狀況，最后分析了目前微機電技術存在的問題以及今后的發展方向。

關鍵詞： 微機電系統；加工工藝；MEMS

1 引言

傳統機電系統包括電子控制、機械和傳感執行部分。微電子學的興起使電子系統部分變得微型化。而微機電系統（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）對非電子系統部分也進行了微型化處理，使其具有體積小、重量輕、功耗低和機械電子合一等優點。MEMS包括微型傳感器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分[1]。自然界各種信息通過微型傳感器轉換成電信號，經過信號處理后由微型執行器對外界發生作用，信號處理部分還能以光、電、磁等形式與外界進行通信和輸出，圖1為MEMS系統與外界相互作用示意圖。通過將微型傳感器、微型執行器和微電子器件的集成可制造出高可靠性和穩定性的微機電系統。因此，MEMS在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事等許多領域都有著很廣闊的應用前景[2]。

圖1 MEMS系統與外界相互作用示意圖

美國1987年舉行的IEEE Micro-robots and Tele-operators研討會首次提出微機電系統（MEMS）一詞，標志微機電系統研究的開始，隨后加州大學伯克利分校用硅片刻蝕工藝開發出靜電直線微電機和旋轉微電機，引起世界極大轟動[3]。美國國家自然基金會和美國國防部都將微米/納米級微系統列為優先重點發展項目，投入巨額資金進行研究開發。而日本則啟動了2.5億美元的“微機械十年計劃”。東京大學研制出了1cm大小的爬坡微型機械裝置，名古屋大學研制出一種不需要電纜，用于微小管道檢測的爬行機器人，它是通過管外的電磁線圈產生的磁場來控制其運動的。目前MEMS器件已經實現了產業化，如微型加速度計、微型壓力傳感器、數字微鏡器件（DMD）、噴墨打印機的微噴嘴、生物芯片等，并且應用領域十分廣泛，如在任天堂Wii和蘋果iPhone等產品中就加入了MEMS加速度傳感器。近年來國際上MEMS的專利數正呈指數規律增長，說明MEMS技術全面發展和產業快速起步的階段已經到來。有人預測，MEMS如同微電子和計算機一樣，也將會給人類的科技文明帶來巨大的變化。

中國MEMS研究始于1989年，在國家“八五”和“九五”計劃期間，得到了科技部、教育部、中國科學院、國家自然科學基金委和原國防科工委的支持，累計投入資金約為1.5億人民幣。在“十五”期間，MEMS正式列入863計劃中的重大專項中。許多高校和科研院所都參與到MEMS的研發領域中，已初步形成了京津、華東、華北、東北、西南、西北等MEMS研究能力集中的幾個區域。經過多年的發展，我國在微型慣性器件和慣性測量組合、機械量微型傳感器和制動器、微流量器件和系統、生物傳感器和生物芯片、微型機器人和微操作系統、硅和非硅制造工藝等方面取得一定成果，初步形成了MEMS設計、加工、封裝、測試的一條龍體系，但在質量、性能價格比及商品化等方面與國外差距還很大。

2 微機電系統面臨的問題

2.1MEMS基礎理論

MEMS與宏觀機電系統相比，許多物理現象有很大的區別，比如，隨著尺寸的減小，與尺寸3次方成比例的像慣性力、體積力及電磁力等的作用將明顯減弱；而與尺寸2次方成比例的像粘性力、表面力、靜電力及摩擦力等的作用則明顯增強，并成為影響微機械性能的主要因素[4]。宏觀機械常使用的計算方法和理論將不再適用，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。

2.2MEMS測試

MEMS測試技術是MEMS加工技術的重要組成部分，其檢測的參數包括幾何量、力學量、電磁量、光學量和聲學量。加工過程測試技術主要包括MEMS用材料性能測試、MEMS產品加工過程參數測試和MEMS芯片基本功能測試。通過測試技術，就能保證MEMS產品的加工質量和穩定的批量生產。但目前，缺乏在線測試的專用自動化設備和系統是MEMS發展需要解決的一個問題。

2.3MEMS器件的可靠性

造成MEMS機械結構失效的常見原因有粘附、雜質玷污和加工過程中的殘余應力等。機械結構和襯底之間的粘附問題一般出現在機械結構釋放的過程中，其可能是范德瓦爾斯力或氫鍵的作用造成的。而由于存在沉積、退火和犧牲層等工藝，薄膜中的殘余應力往往是不可能避免的。因此，有必要對其失效的原因進行深入細致的研究。另外，掌握了失效的機理和規律后，如何在MEMS器件的設計、制造和使用中避免失效和性能下降也將是MEMS可靠性研究的重要方向。

2.4MEMS封裝

MEMS封裝遠比集成電路的封裝復雜得多。為了給MEMS可活動部分提供足夠的活動、可動空間，需要在外殼上刻蝕或留有一定的槽形及其他形狀的空間[5]。此外，多數MEMS封裝外殼上需要留有同外界直接相連的非電信號通路，如光、磁、熱、力等一種或多種信息的輸入。由于需要提供有效的保護空間和輸入信號界面的復雜，對MEMS封裝提出了更高的技術要求。目前，MEMS封裝具有很強的專用性，以適應不同的MEMS器件在各種特殊的環境下正常工作。因此，MEMS封裝費用約占MEMS產品成本的20~90%以上，很大程度上限制了MEMS產品的市場化進程。

3 結束語

MEMS作為一個新興的領域，其發展將會深遠地影響到人類科技的進步和社會的變革，將為人們的生活提供更多的便利和舒適。研究方向的多樣化、新材料的研究和開發，加工工藝多樣化和系統的進一步集成化和功能化是MEMS技術的發展趨勢。我國應對MEMS的研發投入更多的資金和支持，培養出一批該領域的科技人才和專家，建立和完善我國MEMS的技術創新體系。

參考文獻：

[1] 張威，張大成，王陽元. MEMS概況及發展趨勢.微納電子技術[J]，2002，（1）

[2] 孫柏林. 微型機電系統技術及其 21 世紀應用展望. 測控技術[J]，1999，18（1）

[3] 林忠華等. 微機電系統的發展及其應用. 納米技術與精密工程[J]，2004，（2）

[4] 徐毓龍，徐玉成. 微機電系統(MEMS)的應用. 測控技術[J]，1999，18（1）

[5] 胡雪梅，呂俊霞. 微機電系統的發展現狀和應用. 機電設備[J]，2005，（6）

作者簡介：

張樂瑩（1983~），女，江西萍鄉人，南京理工大學泰州科技學院機械工程學院，講師，碩士研究生，主要教授課程：機械CAD/CAM/CAE技術、工程材料及成型工藝以及機械專業英語。