淺析微機電系統(tǒng)的發(fā)展與應用

李霄霄

（廣州工商學院，廣東佛山 528100）

1.微機電系統(tǒng)來源及意義

1959年，美國的一名著名的物理學博士、諾貝爾獎的獲得者，曾經(jīng)在一場加州理工學院的年會上，發(fā)表過一篇重要演講。在本次演講中，這位博士提出了關于微型機械的設想。從那時起也是微機電系統(tǒng)時代來臨的象征。

微機電系統(tǒng)，在后文中我們均稱為MEMS。這一詞是來源于美國的一場會議，而這次會議的總結報告中就提到了微機械加工技術，那時就被美國確定為一種急需發(fā)展的新技術，從此就開始被廣泛流傳，自此MEMS（微機電系統(tǒng)）就成為一個世界性的學術用語。在之后的生活中，MEMS也將更多地被應用在消費類的產(chǎn)品，比如手機、電腦、游戲機等領域[1]。

MEMS將微電子技術和機械工程融合到了一起，開辟了一個全新的科學技術領域，而這個技術也對國家的科技發(fā)展和國防安全等起到非常關鍵的作用。它可以滿足人類社會實現(xiàn)低能和高效、以及保護環(huán)境的愿望，并且MEMS在現(xiàn)實生活中的一些潛在的應用，日后都將給一個國家的經(jīng)濟和安全帶來巨大的影響。

2.國內外發(fā)展狀況

目前國內外近幾年關于MEMS技術發(fā)展，有幾個非常重要的趨勢。比如關于MEMS的應用，已經(jīng)普及大家的日常生活和消費類領域。其實最早的時候，MEMS的應用還主要集中在電子、軍事和汽車等領域，但由于這些領域對于產(chǎn)品的性能要求太高，所以基本也僅僅采用少批量、多品種的生產(chǎn)的方式[2]。

同時在技術方面，關于MEMS的設計也正在從定制化轉為標準化。利用它的構造，將它作為產(chǎn)品的內核，就可以在設計的時候被重復利用，以此來降低的設計難度，也節(jié)約了成本，最終就能提高它的設計效率。之后隨著MEMS設計的推進，它的制造工藝與集成電路的生產(chǎn)工藝也會進一步融合加強，用這種技術結合來生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品，會帶來許多優(yōu)勢，比如在電路融合的技術上，就可以很大程度地提升電路的連接性能，這也非常適合我國未來產(chǎn)品小型化的要求。

3.MEMS的基本概念

MEMS是隨著集成電路、微細加工和超精密機械加工技術發(fā)展起來的。它是以微電子和材料為基礎制造出的一種微型機械。可以把它分為幾個獨立的功能單元，將不同的信號輸入后，微執(zhí)行器就會與外界產(chǎn)生作用，可以將圖1作為參考，這就是一個理想的MEMS微機電系統(tǒng)模型結構圖。

圖1 理想的微機電系統(tǒng)模型結構圖

在美國通常認為微機電系統(tǒng)稱是由不同的許多微型機械元件組成的，同時它也很適合批量生產(chǎn)。歐洲則稱它為微系統(tǒng)，換句話說，將它描述為一種比較智能的微小系統(tǒng)，也可以說是微型器件，同時它也具有傳感、和信號處理的功能。而日本通常認為它是從制造大機器到小機器發(fā)展而來，則習慣稱它為微型機械，這種機械雖然不大，但它的構成組件也是非常的復雜，而且許多復雜的任務和指令基本能完成。

其研究內容大致可以包含以下3個方面：在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規(guī)律仍然起作用，但由于尺寸縮小帶來的影響，許多物理現(xiàn)象與宏觀世界有很大區(qū)別，因此原來的很多理論基礎都會發(fā)生變化，如力的尺度效應、微觀摩擦機理等，這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，還需要進行更深入的研究[3]。

4.MEMS的基本特征

微機電系統(tǒng)的基本特征是尺度微型化和系統(tǒng)集成化，它的出現(xiàn)是科學創(chuàng)新和發(fā)展成果的體現(xiàn)，同時MEMS也有許多的優(yōu)點，例如體積小、重量輕、耐用性好、價格低廉，它側重去采用集成電路（IC）來對器件進行加工合成，同時它的性能也較為穩(wěn)定?？偨Y歸納起來MEMS大致有以下幾個特征：

（1）微型化。MEMS器件的體積小、重量也很輕，如果將這些微型化的器件作為主要的材料，構成的電器機械系統(tǒng)都會表現(xiàn)出較好的性能，同時由于它的振動頻率較大，也可以降低耗能。

（2）集成化。MEMS的集成化把不同功能的傳感器集成于一體，構成復雜的微系統(tǒng)，同時它將這些不同微電子器件的集成于一體，就可以讓這個微型機電系統(tǒng)更加地穩(wěn)定和耐用。

（3）批量生產(chǎn)。MEMS器件以硅為主要材料，通過硅微加工，基本實現(xiàn)在同一個硅片上制造出成千上百個微型機電系統(tǒng)，這種批量生產(chǎn)極大地降低了生產(chǎn)成本。

（4）多學科交叉。目前MEMS所涉及到的領域廣泛，例如機械、器械、電子產(chǎn)品、制造業(yè)等，尤其在生物、物理等多個學科上，隨著科學的發(fā)展也呈現(xiàn)了許多高端成果。

MEMS和普通機械系統(tǒng)區(qū)別很大，它可以嵌入進大型機電系統(tǒng)中，使其更為智能化。在21世紀，我相信MEMS會逐步走出實驗室，走入大家的生活，在許多科技技術領域為人類帶來許多便利。

5.微機電系統(tǒng)的發(fā)展

我們可以暫時將微機電系統(tǒng)描述為：一種獲取處理信息以及執(zhí)行機械操作的一種集成器件。由于它也可以很大程度上使運行系統(tǒng)更加的智能化，同時由于它功耗較小，也有比較強的抗沖擊能力，因此它也比較適合在惡劣或極端條件下使用。隨著社會的進步和發(fā)展，MEMS覆蓋的領域也會越來越廣泛，普及到每個人的日常生活中去[4]。

MEMS算是一個新興技術領域，現(xiàn)在也有一批批新的集成器件不斷涌現(xiàn)出來。它的發(fā)展很大程度上提高了器件的運轉效率，已經(jīng)對國家乃至人民的生活都產(chǎn)生前所未有的影響，其在民用領域及軍用領域都有著廣泛的應用前景。

6.微機電系統(tǒng)的應用及展望

自微機電系統(tǒng)從誕生以來，它就逐漸成為大家研究的“新寵兒”。在我國也是一種較為前沿的研究領域，它涉及很多領域，例如電子、機械、以及物理學、化學和醫(yī)學等。同時它也廣泛地進入我們日常消費生活中，例如在輪胎里加入傳感器，在醫(yī)學上測量血壓等。

其實，除了要機械、制造與MEMS有關的技術外，更重要的是，就如何將這個技術與網(wǎng)絡通信、航空航天、化學生物、醫(yī)療等更多的領域相結合，在這個基礎上，慢慢研制開發(fā)出能符合這些領域要求的微傳感器、微執(zhí)行器等MEMS器件。在現(xiàn)階段，航空航天、信息通訊和生物醫(yī)藥這些領域，對器件的要求性都越來越高，要求也越來越精密。如果能夠實現(xiàn)在很小體積下集成更多功能單元，如果能減小設備的體積，實現(xiàn)功能單元，就會節(jié)約大量的成本，對這些領域的發(fā)展甚至對我國經(jīng)濟的發(fā)展，都會有非常大的推動作用。