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，并對MEMS的具體應(yīng)用進行了簡要闡述。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

微機電系統(tǒng)是指可批量制作的，集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、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，是一個獨立的智能系統(tǒng)，主要由傳感器、作動器（執(zhí)行器）和微能源三大部分組成。微機電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學創(chuàng)新思維的結(jié)果，是微觀尺度制造技術(shù)的演進與革命。MEMS是微電子技術(shù)的拓寬和延伸，它將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。

MEMS具有以下特點：

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)時間短。

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

批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置和完整的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方向的多個傳感器或執(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。

多學科交叉：MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術(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，微機械陀螺。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，可用于測量進氣歧管壓、大氣壓、油壓、輪胎氣壓等。微加速度計的應(yīng)用則伴隨著汽車安全氣囊系統(tǒng)日趨普及而高速增長，漸漸替代以往的機電式加速度傳感器。微機械陀螺是一種振動式角速率傳感器，主要應(yīng)用于汽車導航的GPS信號補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，尤其是在智能手機廣泛普及的情況下。其中最簡單的例子是在手機中判斷實際是垂直還是水平放置，繼而確定屏幕圖片的顯示方向，當然其應(yīng)用遠不至于此。利用MEMS傳感器，手機用戶可以通過手指敲擊、晃動或者其他三維運動動作來執(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、瀏覽照片等等、使得手機控制更加便捷，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，在航空、航天、航海、生物醫(yī)學和環(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)在滿足導航、導彈制導性能要求的條件下，追求減少導彈系統(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、成本低的慣性導航和制導傳感器，滿足未來軍備的需要。先進的MEMS加速計的探測加速度技術(shù)是提高導航、導彈制導性能的基礎(chǔ)。

MEMS加速計用2種方法探測加速度：一、在加速條件下，擺動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)量塊負載變化引起拉力變化使振動元件頻率變化，前者稱擺式或位移加速計后者稱共振加速計或振動梁加速計（VBAs）。擺式加速計可滿足戰(zhàn)術(shù)級到飛行器導航級多種應(yīng)用要求；共振加速計可以達到更高性能級應(yīng)用的要求。

MEMS Z軸位移加速計：Z軸在垂直儀器平面加速旋轉(zhuǎn)時，橫跨玻璃基片的轉(zhuǎn)矩彈簧撓曲支撐擺動懸掛的檢測質(zhì)量塊。用絕緣片上的電極通過電容間隙變化探測運動。MEMS橫向位移加速計是指測量與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軸和橫向加速計組成三軸（x，y，z）加速計時最佳的加速計系統(tǒng)，用3個平面芯片可實現(xiàn)三軸加速度測量。

未來的導彈系統(tǒng)有3種：一、飛機、艦船、和潛艇載超音速遠距離精確打擊導彈；二無定向巡航無人機攜帶超音速導彈；三，無人機攜帶巡航導彈。這3種情況都要求系統(tǒng)重量輕，高精度制導，快速反應(yīng)，近于實時打擊。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)計導航、導彈制導性能技術(shù)也會有不小的進步。

航空航天。隨著航天任務(wù)的多樣化，航天器的軌道機動范圍、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，硅和金屬的機械性能大多不變（楊氏模量和抗屈強度受影響不顯著），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器件被認為是耐輻射的。而備受關(guān)注的是驅(qū)動電路和控制電路，其需要屏蔽輻射或制作時選用抗輻射的元器件并考慮抗輻射設(shè)計。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及其封裝。

MEMS器件將繼續(xù)擴大其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，如微型慣性導航系統(tǒng)中的微型陀螺儀、微加速度計和微型壓力傳感器；空間姿態(tài)測定系統(tǒng)中的微型傳感器、磁強計和推進器；通信和雷達系統(tǒng)中的微鏡、微可變電容器和微光機電器件；微型衛(wèi)星中的微馬達和微處理器等。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)計原理實現(xiàn)依靠的是創(chuàng)新的理念和技術(shù)水平，而技術(shù)的進步與發(fā)展是通過基本而又深邃的理論和先進工藝的緊密結(jié)合來實現(xiàn)的，而基本的理論是通過對自然現(xiàn)象的觀測和驗證經(jīng)過升華得出的。綜上，研制未來的各種敏感器的動力依然是技術(shù)進步的要求，可見MEMS技術(shù)正處于高速發(fā)展，它的廣泛應(yīng)用和效益將會強有力地顯示出來。

（作者單位：中國計量學院現(xiàn)代科技學院）