MEMS技術發展現狀及未來發展趨勢*

秦雷，謝曉瑛，李君龍

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

MEMS技術發展現狀及未來發展趨勢*

秦雷，謝曉瑛，李君龍

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

MEMS技術作為一門多學科高度交叉的前沿學科領域，在近些年來得到迅速發展，在航空、航天、生物技術等領域都有廣泛的應用。該技術可實現優質高產低耗，大大提高系統的可靠性和智能化功能，已經成為電子領域活躍的發展方向之一。論述了MEMS微系統技術的重要性，從微感知與微控制、微流動控制、微慣性測量裝置、微型飛行器、可穿戴和可植入式裝備、納機電諧振器、掃描隧道顯微鏡等七大方面分別論述MEMS微系統技術發展現狀，并對該技術進行了展望，以期對未來發展并應用該技術具有借鑒意義。

微機電系統；微感知；微控制；微型飛行器；納機電系統；慣性測量裝置

0 引言

微系統[1-4]對國防科技的發展有著革命性的影響，是未來增強國防實力的重要支撐技術。隨著飛行器多功能化、微型化、結構智能化以及無人機、微型飛行器的發展，未來航空機載設備和武器系統將更加依賴高集成度的封裝器件，并將廣泛采用可以執行各種功能的微系統器件來改善其性能，實現輕量化、小型化、精確化。

微系統是指特征尺度在微米和納米2個鄰接微小領域，以集成電路加工工藝派生發展，融入微機械、微光學、微能源、微流動等各種技術，并采用先進封裝工藝，實現功能集成的綜合性前沿技術。美國國防部先進研究項目局(defense advanced research projects agency，DARPA)將微系統技術列為近10年來大力發展的現代前沿技術，并資助了大量微機電系統(micro- electro- mechanical system，MEMS)項目，大力發展小型慣性測量裝置、微全分析系統、RF傳感器、網絡傳感器、無人值守傳感器等項目，應用于導彈、單兵攜帶、戰場實時監測、毒氣以及細菌檢測、武器安全、保險和引信、彈道修正、敵我識別系統等方面，在軍用設備中應用日漸廣泛。

1 MEMS微系統技術重要性

1.1 MEMS微系統技術是未來實現導彈小型化的關鍵技術

當前，在導彈內部，電子器件占據了很大部分的空間和質量，包括導引頭、慣性測量裝置、彈上計算機、指令應答機等。這些功能模塊往往來自于不同的廠家，在導彈組裝時集成在一起。這些功能模塊內部各自成一個系統，往往包含相同的組件，如電池等，從而帶來了導彈質量的增加。另外，導彈中多個功能模塊之間相互獨立使得電路板和芯片封裝體的數量較多，占據了大量空間和質量。

微系統技術中的系統級封裝(system in a package，SiP)技術是解決導彈功能模塊分立，降低電子器件體積和質量的重要途徑。系統級封裝是將包括多塊功能芯片集成在一個封裝體內，從而實現一個基本完整的功能的技術。通過SiP技術可以將當前導彈中各功能模塊中采用的多塊芯片封裝在一個封裝體內，從而提高封裝效率。此外，采用了功能集成后，原功能模塊內部的相同組件可以縮減，例如電源可以采用彈上統一的電源供電，從而對減小體積和質量具有重要意義。

片上系統(system on chip，SoC)是微系統技術發展的另一重要方向，該技術將不同功能的電路設計和制造在一塊芯片上，芯片本身即能完成原本需要多塊芯片完成的功能。在未來導彈上，通過芯片處理功能的整合，縮減芯片的數目同樣能夠減小電子部件的體積和質量。

另外，利用微系統技術發展的微慣性測量裝置、原子鐘等部件本身即具有體積小、成本低、質量輕、抗振動、抗沖擊能力強和集成化程度高等優點，對于實現導彈小型化發展具有重要意義。國外研制的部分微型慣性測量裝置已經具有戰術級精度。例如，美國諾斯羅普·格魯曼公司制造的SiACTM加速度計，具有戰術和導航2種級別的精度，已經在“先進中程空空導彈”、“制導多管火箭系統”以及指揮直升機上得到應用。

1.2 MEMS微系統技術是未來實現導彈性能提升的關鍵技術

導彈的作戰空域和機動性能很大程度上取決于推進劑比沖和導彈攜帶燃料的質量。在電子部件占據較大體積和質量的情況下，導彈攜帶燃料的質量被壓縮。通過微系統技術縮減電子部件質量，為燃料存儲留出空間，可以很大程度拓展導彈的性能。另外，燃料的研制是一項長周期的研究任務，且其性能在地面驗證困難，相反，電子元器件性能在地面較容易驗證，因此通過微系統技術，壓縮電子部件質量，是未來提升導彈性能的重要技術途徑。

此外，在當前導彈內部各模塊相互獨立的情況下，各部件之間采用總線實現信息交互，難免存在一定的延遲，對導彈的性能帶來了不利的影響。在實現功能整合，并采用系統級封裝或片上系統技術后，信息傳輸長度大大縮減，延遲將顯著降低。延遲降低對未來導彈對付高速高機動目標具有重要的意義。

1.3 MEMS微系統技術是未來實現導彈智能化感知的關鍵技術

導彈全壽命周期健康狀態監測能夠為軍隊作戰和戰備提供大量的信息支持，同時也能夠為了解導彈在全壽命周期內的性能變化提供數據，從而能夠促進設計改進，提升導彈性能提供參考。微系統技術能夠為此提供技術支撐。微系統是微納尺度元件，在微測量和微感知方向具有較大的優勢。如在燃料箱內部安裝微壓力傳感器可以了解該部件的狀態。在導彈的一些關鍵部位可以安裝微應力傳感器，了解該部位的健康狀況。

微系統的另一個優勢是其低功耗的特點，使其可以在較小的能量消耗情況下長時間運行，從而為長期監測感知導彈健康信息提供了可能性。

總的來說，微系統技術[5]通過將多種先進技術高度融合，實現將傳統各自獨立的信息獲取、處理、命令執行等系統融為一體，能夠促進導彈微小型化和智能化，對于加速導彈系統性能的全面提高，有效降低尺寸、重量與成本等具有革命性的影響。

2 MEMS微系統技術發展現狀

2.1 微感知與微控制

微感知[6-11]主要是指利用微傳感器對環境或流體的壓力、速度、溫度等進行感知，微控制主要是指利用微致動器實現微噴射、微執行等局部或微位移的控制任務。微傳感與微控制目前最主要的應用是微流動控制和健康與使用狀態監控，在飛機、直升機、無人機、發動機上都有案例，且得到了DARPA等機構的廣泛支持。

2.2 微流動控制

微流體力學[12-17]是指特征尺度在1 μm～1 mm量級的流體流動，研究處理極小量流體的器件的原理、設計、制作和應用的工程學科。這里，“微流體”可以有4種理解方式：“微”量流體的控制，例如微升、納升，甚至是皮升；“微”尺寸的流體處理器件，例如尺寸在毫米量級的微型給藥(劑量，dosage)系統；“微” 功耗，例如可以控制流速達到100 L/min的功耗在毫瓦的微閥；“微” 效應，例如毛細力在液體的傳輸中的利用，以及小尺度下的迅速的熱交換在增加化學反應產量的利用。

隨著MEMS技術的發展，有能力制作微米尺度的結構，特別在微全分析系統(micro total analysis systems,μTAS)和芯片實驗室(Lab on a chip)概念的提出以及生物技術的發展等需求牽引下，微流體控制技術得到了快速發展。目前具備處理極小量(μl，nl乃至pl量級)流體技術，具有樣品需用量少、反應時間短、功耗低、微型化、集成度高等優點。未來，可以想見微流體(microfluidics)是MEMS中最重要、最活躍和最具市場潛力的分支之一，目前已經商業化的MEMS產品中，微流體器件占了大多數，如噴墨打印頭和生物芯片等。

2.3 微慣性測量裝置

慣性測量裝置(inertial measurement unit，IMU)[18-22]一般由陀螺、加速度計和信號處理電路等組成，目前正在向單芯片上集成，提供位置、高度和速率數據。目前MEMS 加速度計的性能已經接近軍用系統的要求，MEMS 器件巨大的成本優勢、更小的尺寸與功率使它具有廣泛的使用潛力。DARPA 資助了多項MEMS IMU 的研究，比如BAE 系統公司開發的海軍增程制導彈藥上的MEMS IMU SiIMU02；空軍曾進行將MEMS IMU 集成進風修正彈藥布散器的飛行驗證。法國泰雷茲(Thales)航電公司開發了雙差動石英諧振懸臂梁加速度計，用于法國賽峰集團的一款軍用IMU 中；泰雷茲還在開發硅微陀螺，使用大厚度絕緣體上硅和DRIE 工藝。

DARPA 和AFRL(美國空軍研究實驗室)共同資助美國CMU(卡耐基梅隆大學)學院開發了CMOS- MEMS 工藝用于MEMS加速度計和陀螺的制造。該工藝能夠把傳感器和電路集成在單個芯片上，實現常規CMOS工藝和MEMS 微加工工藝的結合，MEMS 工藝可以在標準CMOS 工藝之前(前CMOS)、過程之中(中間CMOS)、之后(后CMOS)完成。CMU 學院開發了2種后CMOS 工藝，薄膜CMOS- MEMS 工藝和DRIE CMOS- MEMS 工藝，后者將薄膜CMOS- MEMS 工藝、德國Bosch 公司先進硅刻蝕工藝(屬于深硅刻蝕) 和背面刻蝕結合起來，能針對特殊的設計進行工藝優化。

2.4 微型飛行器

微型飛行器(micro air vehicle，MAV)[23-30]是美歐最先開始研究的一種未來新概念飛行器，通過在微尺寸的飛行器中集成各種微任務載荷，或者利用功能結構一體化等技術，使其具有比無人機更好的狹小地區隱秘偵察與監視功能。MAV主要包括固定翼、旋翼、撲翼3種布局，可以做到只有幾厘米大小，且上面還要具備動力、能源、導航、傳感、通信等系統，這對制造和集成提出了很高的要求，利用MEMS 技術成為實現多功能微型化的首選。

2.5 可穿戴和可植入式設備

目前可穿戴式設備大量使用MEMS技術，主要在谷歌智能隱形眼鏡、可穿戴顯示、智能傳感T- Shirt、可穿戴織物、智能手環、脈搏傳感器智、可穿戴太陽能電池、智能尿布大量應用。

可植入式器件是指埋置在生物體或人體內的器件，主要用來觀察和測量生命體內生理生化參數的長期變化，診斷、治療某些疾病，實現在生命體自然狀態下體內的直接測量和控制功能，也可用來代替功能已喪失的器官。

可植入器件具有如下優點：實時測量、控制生理狀態下的生理、生化參數；方便對器官、組織直接調控；治療傳統醫學無法治愈的疾病等。美國Purdue大學腫瘤輔助治療氧氣發生器，針對糖尿病、青光眼等疾病發明了電化學微泵，2010年美國南加州大學的Ellis Meng小組提出了一種可植入電化學給藥。目前在壓力傳感器、人工耳蝸、眼壓測試系統、人工視網膜植入得到廣泛應用。

2.6 納機電諧振器

諧振器在無線通信、高靈敏度生化傳感器等領域具有重要應用；與MEMS 諧振器相比，納機電系統(nano- electro- mechanical system,NEMS)諧振器利用了納米核心結構的尺度效應使器件性能獲得了顯著提升，通過諧振結構的等比例縮小，器件頻率顯著提高，甚至可以達到GHz；具有超高頻率、低能耗、高靈敏度等優點。美國Connell大學在納機電諧振器方面有所突破，在碳納米管與底電極之間加載交流電，相互之間就會有周期性變化的靜電力作用，由碳納米管位置變化導致電容發生變化。

2.7 掃描隧道顯微鏡

被譽為“通往微觀世界的三扇門”之一的掃描隧道顯微鏡，是一種利用量子理論中的隧道效應探測物質表面結構的儀器，它于1981年由格德及海因里希在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發明，它具有比同類原子力顯微鏡更加高的分辨率，在低溫(4K)下可以利用探針尖端精確操縱原子。

3 結束語

目前微系統技術已經在各行各業得到了廣泛的應用，帶動軍用及民用產業快速發展，助力相關產業轉型升級。目前微系統已經逐漸從“三高”向“三微”方向轉變，即從高精度、高速度、高質量向微型化、微細化、微納化方向發展，可以預想未來有兩大發展趨勢：

(1) 執行器與傳感器功能集成和一體化：包含結構集成、自感知執行器2個層次，具有減小體積、降低重量、結構緊湊、實現真正同位控制等優點，實現在器件的致動過程中提取出獨立于任何執行器控制信號的待檢測信號。

(2) 向物性型發展，新的功能材料和智能材料不斷發展：未來非鉛系列壓電陶瓷、納米壓電材料，以Cu- Al- Ni為代表的多種形狀記憶合金材料，超磁致伸縮材料，仿生-智能材料，以Si，Ge為代表的功能半導體材料將應用于微系統，成為促進微系統向“三微”方向轉型的重要技術基礎。

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Development Status and Future Development Trend of MEMS Technology

QIN Lei，XIE Xiao- ying，LI Jun- long

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

As a multidisciplinary integration forward field, micro- electro- mechanical system(MEMS) technology has been rapidly developed in recent years. It has been widely used in many fields such as aviation, aerospace and biological technology. The technology can achieve high quality, high yield and low cost, has greatly improved the reliability of system and intelligent function and has become one of active development directions in the electronic field. The importance of MEMS technology is discussed. Seven aspects including micro perception and micro control, micro flow control, micro inertial measurement unit, micro air vehicle(MAV), wearable and implantable equipment, nano- electro- mechanical resonator, scanning tunneling microscope have been discussed to explore the development status of MEMS technology respectively. The future development trend of MEMS technology is given, which has certain reference significance to the future development and application of the technology.

micro- electro- mechanical system(MEMS)；micro perception；micro control；micro air vehicle(MAV)；nano- electro- mechanical system(NEMS)；inertial measurement unit(IMU)

2016-08-30；

2017-04-12 基金項目：有 作者簡介：秦雷(1987-)，男，吉林長春人。工程師，博士，主要研究方向為飛行器導航、制導與控制。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.001

TJ765.1；TP271+.4

A

1009- 086X(2017)- 04- 0001- 05

編者按：“2016年先進導航、制導與控制技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，共征集到論文40余篇，經過專家評審選出優秀論文10余篇進行了會議交流。《現代防御技術》特開辟專欄陸續刊登此次會議的優秀論文，供讀者參考。

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