微系统领域的关键技术

　　1　概述

　　1.1　关于定义

　　微系统一词有广义的和狭义的用法。狭义的微系统尚无统一的定义,我们对狭义微系统的定义是,在牛顿力学起作用的范围内,由尺寸变小而致物理法则与常规(宏观)者不同的系统。广义微系统定义如下:①本身尺寸很小的系统;②本身尺寸不算小,但其作用对象很小的系统,如对细胞作业的系统;③利用高集成度原则,把原来的笨重设备变成可携式的系统,如袖珍化学分析仪器;④利用微制造技术制造出的、具有某些特定性能的产品,如带有人工微浮雕的仿荷叶表面,它也具有“出污泥而不染”的性质,从而能用于要求容易去污的场合。

　　1.2　微系统与微电子的联系与区别

　　微系统当然包括微电子系统,但考虑到微电子技术已非常成熟,通常所说的微系统是指微电子以后的微系统。它们在使用上有如下区别:

        (1)运用自然规律的广度　微电子主要运用电、磁规律,而微系统则扩大至运用机(包括固体和流体)、光、热、声、化学、生物等一切可能的规律。

　　(2)处理对象　微电子主要处理信息,而微系统还要处理能量和物质(如化学药剂)。

　　(3)与环境的关系　微电子基本上与环境是隔绝的,而主要处理内部信息,但微系统则强调与环境的交流。

　　微系统较诸微电子在设计、制造上有如下附加要求:①在原理、材料和结构设计中,要综合计入机械(固体、流体)、光、热、声、化学、生物等性能。②要引入能量、物质的传输、存储、变换功能单元,如机械能的变换需作动器,存储需弹簧,传输需运动机构;化学药剂的传输需泵和管路,存储需存储器,反应需混合器和反应器等。③要有与环境沟通的窗口,为此,在设计和封装上要采取相应措施。

　　1.3　微系统与宏(常规)系统的联系与区别

　　微宏系统的相通之处是都适用牛顿力学的物理体系,而且宏系统中的部分规律可延伸适用于微系统,但它们之间仍有本质的不同:

　　(1)物理法则不同　若在2个系统中有几种同样的因素在起作用,但各因素对系统影响的排序不同,则称此2个系统的物理法则不同。导致物理法则不同的原因有几何(尺寸、形状)的、物性的(材质、场)和结构(几何与物性耦合)的;通常说得最多的是尺寸原因,即尺寸效果。

　　(2)系统行为不同　当尺寸变小时,系统的运动易由连续转为间歇、由平稳转为突发、由较易预测转为较难预测。

　　(3)制造、检测手法不同

　　1.4　微系统研究中的课题群

　　微系统区别于宏系统及微电子系统的特点,对它自身的设计与应用,从而也对制造技术提出了各种各样的课题,这些课题按其联系的相对紧密程度可分为若干个课题群来研究,如接口、封装与测试课题群,微流体、化学传感与识别课题群,微光、热、声课题群以及本文的3维成形(3D fabri-cation)、空间运动与微作业课题群等。