點亮微機電系統的“啟明燈”

閆佳

“不積跬步，無以至千里：不積小流，無以成江海。”對于北京大學信息科學技術學院副研究員張威來說，MEMS帶給他的就是千里之行路上的一小步，江河湖海里的一條小細流，但看似微不足道的每一步、每一條細流最終卻能匯聚成無窮的力量。

張威所說的“MEMF”亦稱為微機電系統，是一種將微電子技術與機械工程融合到一起的新型工業技術，研究對象僅有微米大小，操作范圍也在微米尺度內。除了微電子以外，MEMS涉及范圍極其廣泛，材料、力學、化學、機械學等諸多學科領域都在其中，學科面涵蓋微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理、化學、機械學的各分支。“比較通俗地講，MEMS就是一種可以由大變小的技術，最初來源于美國，一般是由類似于生產半導體的技術制造的，微型化的尺度大概是從毫米到微米量級的，以芯片形式為主，但不僅限于芯片。”張威介紹道。初遇：與微機電系統結緣

1990年，張威從哈爾濱船舶

工程學院（今哈爾濱工程大學）機械系畢業，被分配到東北傳感技術研究所，從事傳感器的有關研制工作。轉眼4年過去，盡管從工作中積累了大量的實踐經驗，認為“學習無止境”的張威還是忘不了心中的“考研情結”，再次回到哈爾濱船舶工程學院學習。

事實證明，張威的考研之路并沒有選錯，期間，由于表現優秀，他被單位選派前往美國RAE SYSTEMS公司做了一年的訪問學者。“在美國這一年，給了我很大的觸動，不僅大大拓寬了學術眼界，還接觸到了領域內的許多新設備、新技術。”而張威口中所說的“新設備、新技術”就是微機電系統，此后，他也開始了與微機電系統的不解之緣。“邊學習邊工作的經歷使我沒有作為學生的迷茫期，更敢想敢干。”張威說。

這種半工半讀的經歷使張威積累了極其豐富的“實戰經驗”，他逐漸發現微機電系統在現實中是非常“有用”的。“比如噴墨打印機里的微型噴頭”，張威舉例道。另外，微機電系統還可以制作MEMS加速度傳感器來控制汽車發生碰撞時安全氣囊防護系統的開啟：或者MEMS陀螺在汽車里測定汽車傾斜，并以此控制汽車姿態：亦或是在輪胎里作為胎壓監測系統（TPMS）的核心部件MEMS壓力傳感器使用。

“這些都是微機電系統最為常見的應用。”他說。這種極其廣泛的應用市場也預示著微機電系統有著多種原材料和制造技術的選擇條件。其中，硅作為制造集成電路的主要原材料，其作用不容小覷。目前，電子工業中已有豐富的實用硅制造極小結構的經驗，而硅的物質特性優點也一直被研究人員津津樂道：單晶體的硅幾乎沒有彈性滯后的現象，因此耗能微乎其微，運動特性也非常可靠。此外，硅不易疲勞折斷，其使用周期甚至可以達到上兆次。騰飛：汽車EsP的防范之途

如果讓司機說到在開車中最重視的一點，無疑都離不開“安全”二字，隨著微電子技術和控制技術的不斷發展，越來越多的電子控制裝置應用于汽車中，提高主動安全性更是現代汽車研究的重要課題之一。談起微機電系統在汽車中的應用，張威一下子來了興趣：“從最早的機械結構到現在的產品逐步升級，傳感器的研究就像是一個進化過程，我對它的研究就是在這樣的升級路上，一步步走過來的，事實證明，這條路也是正確的。”

提高汽車主動安全性就意味著汽車電子穩定性的提升，而制動壓力傳感器與橫擺角速度側向加速度傳感器作為汽車電子穩定性程序EsP的核心，所采集的壓力、加速度和加速度信號在EsP控制系統中，可用來估算摩擦系數、側向速度、車輪和車輛的實際側偏角以及輪胎力等附加變量值：值得一提的是，橫擺角速度傳感器還可在在車輛運動控制的時候提供汽車的實際橫擺運動狀態。張威及研究團隊研究的項目“汽車EsP（電子穩定系統）用系列微傳感器”就對此進行了詳細的解讀，還成功申報了國家高技術研究發展計劃（863計劃）專題課題。

張威及團隊針對汽車底盤EsP系統及其他汽車需求，研制了橫擺角速度、側向加速度傳感器和制動壓力傳感器。突破了設計、加工、封裝、穩定性和可靠性等關鍵技術。“與以往相比，這項研究在車載橫擺加速度傳感器的設計、加工等技術上更加實用化，傳感器與EsP的接口技術也是另外一個亮點，大大滿足了車載要求的可靠性考核。”張威補充道。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。張威的一項項研究，一次次榮譽都是他在微機電系統領域走出的一片天地。而他也深知，這場無聲的“科研硝煙”遠遠沒有結束，戰火的轟鳴聲還不絕于耳，他身上的責任也在迫使他繼續踏上微機電系統研究的新征途，點起無數個“啟明燈”。