廣泛應(yīng)用并高速發(fā)展的MEMS技術(shù)

黃澤寅 李張帆 胡志洪

MEMS傳感器種類繁多，發(fā)展迅猛，應(yīng)用廣泛。該文介紹了MEMS傳感器的概念及特點(diǎn)，并對MEMS的具體應(yīng)用進(jìn)行了簡要闡述。從部分新的MEMS技術(shù)在軍事及航空航天方面簡述了對未來應(yīng)用的展望。MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展，潛在市場巨大。

1 MEMS的概念及特點(diǎn)

微機(jī)電系統(tǒng)是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號(hào)處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS基本上是指尺寸在幾厘米以下乃至更小的小型裝置，是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、作動(dòng)器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，是微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。MEMS是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。

MEMS具有以下特點(diǎn)：

微型化：MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時(shí)間短。

以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。

批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時(shí)制造成百上千個(gè)微型機(jī)電裝置和完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動(dòng)方向的多個(gè)傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

多學(xué)科交叉：MEMS涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

2 MEMS的具體應(yīng)用

隨著汽車傳感器的迅速發(fā)展和對MEMS技術(shù)研究的深入，基于MEMS技術(shù)的汽車傳感器的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，主要應(yīng)用方面為壓力傳感器，微加速計(jì)，微機(jī)械陀螺。汽車電子控制系統(tǒng)是MEMS壓力傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，可用于測量進(jìn)氣歧管壓、大氣壓、油壓、輪胎氣壓等。微加速度計(jì)的應(yīng)用則伴隨著汽車安全氣囊系統(tǒng)日趨普及而高速增長，漸漸替代以往的機(jī)電式加速度傳感器。微機(jī)械陀螺是一種振動(dòng)式角速率傳感器，主要應(yīng)用于汽車導(dǎo)航的GPS信號(hào)補(bǔ)償和汽車底盤控制系統(tǒng)，應(yīng)用潛力極大。

MEMS傳感器在手持設(shè)備中也已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用，尤其是在智能手機(jī)廣泛普及的情況下。其中最簡單的例子是在手機(jī)中判斷實(shí)際是垂直還是水平放置，繼而確定屏幕圖片的顯示方向，當(dāng)然其應(yīng)用遠(yuǎn)不至于此。利用MEMS傳感器，手機(jī)用戶可以通過手指敲擊、晃動(dòng)或者其他三維運(yùn)動(dòng)動(dòng)作來執(zhí)行特定的指令，替代傳統(tǒng)的按鍵操作，如接聽電話、關(guān)機(jī)、瀏覽照片等等、使得手機(jī)控制更加便捷，更人性化。

MEMS憑借其體積小、重量輕、可靠性高、功耗低、易于數(shù)字化和智能化等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、航海、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域也有不少的應(yīng)用。

3 MEMS新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用

軍事。MEMS技術(shù)在滿足導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)性能要求的條件下，追求減少導(dǎo)彈系統(tǒng)尺寸、重量和成本。MEMS現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于GPS，由PC-IFOGs發(fā)展成的IOGs是MOEMS芯片式系統(tǒng)，它將借用通信技術(shù)制造高精度、尺寸小、成本低的慣性導(dǎo)航和制導(dǎo)傳感器，滿足未來軍備的需要。先進(jìn)的MEMS加速計(jì)的探測加速度技術(shù)是提高導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)性能的基礎(chǔ)。

MEMS加速計(jì)用2種方法探測加速度：一、在加速條件下，擺動(dòng)或撓曲式支撐的檢測質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，用電容變化或壓電量變化讀出其位移。二、用檢測質(zhì)量塊負(fù)載變化引起拉力變化使振動(dòng)元件頻率變化，前者稱擺式或位移加速計(jì)后者稱共振加速計(jì)或振動(dòng)梁加速計(jì)（VBAs）。擺式加速計(jì)可滿足戰(zhàn)術(shù)級到飛行器導(dǎo)航級多種應(yīng)用要求；共振加速計(jì)可以達(dá)到更高性能級應(yīng)用的要求。

MEMS Z軸位移加速計(jì)：Z軸在垂直儀器平面加速旋轉(zhuǎn)時(shí)，橫跨玻璃基片的轉(zhuǎn)矩彈簧撓曲支撐擺動(dòng)懸掛的檢測質(zhì)量塊。用絕緣片上的電極通過電容間隙變化探測運(yùn)動(dòng)。MEMS橫向位移加速計(jì)是指測量與Z軸垂直平面上二維方向加速度使檢測質(zhì)量塊產(chǎn)生的位移。通過橫跨“梳指”式結(jié)構(gòu)電容量的變化測量檢測質(zhì)量塊的位移。Z軸和橫向加速計(jì)組成三軸（x，y，z）加速計(jì)時(shí)最佳的加速計(jì)系統(tǒng)，用3個(gè)平面芯片可實(shí)現(xiàn)三軸加速度測量。

未來的導(dǎo)彈系統(tǒng)有3種：一、飛機(jī)、艦船、和潛艇載超音速遠(yuǎn)距離精確打擊導(dǎo)彈；二無定向巡航無人機(jī)攜帶超音速導(dǎo)彈；三，無人機(jī)攜帶巡航導(dǎo)彈。這3種情況都要求系統(tǒng)重量輕，高精度制導(dǎo)，快速反應(yīng)，近于實(shí)時(shí)打擊。MEMS/MOEMS組成的慣性傳感器，性能好于戰(zhàn)術(shù)級，尺寸小，成本低，因此，在MEMS/MOEMS慣性傳感器性能提高的背景下，預(yù)計(jì)導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)性能技術(shù)也會(huì)有不小的進(jìn)步。

航空航天。隨著航天任務(wù)的多樣化，航天器的軌道機(jī)動(dòng)范圍、軌道熱環(huán)境及星載電子設(shè)備工作模式的復(fù)雜化，衛(wèi)星入軌后，其熱控系統(tǒng)可能受到惡劣空間環(huán)境及自身高熱流密度部件散熱等復(fù)雜或不確定因素影響，這就要求衛(wèi)星熱控系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前的控制局勢及變化趨勢自主調(diào)整熱控策略以保證衛(wèi)星和星載儀器設(shè)備工作的可靠性。

電離輻射通過充電介質(zhì)影響MEMS器件，導(dǎo)致其特性改變或靜電操作設(shè)備故障。即使在受高劑量輻射的太空任務(wù)結(jié)束后，硅和金屬的機(jī)械性能大多不變（楊氏模量和抗屈強(qiáng)度受影響不顯著），硅作為結(jié)構(gòu)材料本質(zhì)上是耐輻射的。因此大多數(shù)MEMS器件被認(rèn)為是耐輻射的。而備受關(guān)注的是驅(qū)動(dòng)電路和控制電路，其需要屏蔽輻射或制作時(shí)選用抗輻射的元器件并考慮抗輻射設(shè)計(jì)。從MEMS器件的角度來看，在真空環(huán)境下工作，器件需要特殊的散熱外殼，通常可以用交換氣體來進(jìn)行MEMS器件的氣密性封裝，以便對流散熱，然后冷卻外殼。除了太空特定工作環(huán)境下的輻射和真空之外，直接影響航天用MEMS器件可靠性的重要因素還有熱沖擊和振動(dòng)及其封裝。

MEMS器件將繼續(xù)擴(kuò)大其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，如微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的微型陀螺儀、微加速度計(jì)和微型壓力傳感器；空間姿態(tài)測定系統(tǒng)中的微型傳感器、磁強(qiáng)計(jì)和推進(jìn)器；通信和雷達(dá)系統(tǒng)中的微鏡、微可變電容器和微光機(jī)電器件；微型衛(wèi)星中的微馬達(dá)和微處理器等。可以預(yù)見在未來15年，MEMS將替代系統(tǒng)現(xiàn)有的器件，引起一場更輕、更小、性能更強(qiáng)的器件革命。

MEMS技術(shù)的潛在市場是非常巨大的，除了在汽車、手持設(shè)備等民用項(xiàng)目已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，在軍用市場以及航天市場也有了巨大的應(yīng)用前景。如何將傳感器設(shè)計(jì)原理實(shí)現(xiàn)依靠的是創(chuàng)新的理念和技術(shù)水平，而技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展是通過基本而又深邃的理論和先進(jìn)工藝的緊密結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，而基本的理論是通過對自然現(xiàn)象的觀測和驗(yàn)證經(jīng)過升華得出的。綜上，研制未來的各種敏感器的動(dòng)力依然是技術(shù)進(jìn)步的要求，可見MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展，它的廣泛應(yīng)用和效益將會(huì)強(qiáng)有力地顯示出來。

（作者單位：中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院）