微机电系统的研究及应用

　　1 微机电系统及特点

　　微电子机械系统(Micro - Electro - Mechanical - System,简称 MEMS〕 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴学科, 它以微电子及机械加工技术为依托, 范围涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。 完整的 MEMS 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。系统模型如图 1 所示。

　　微电子机械系统的目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起,组成具有多功能的微型系统,完成大尺寸机电系统所不能完成的任务, 也可以嵌入大尺寸系统中, 从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。很多科学家都认为: MEMS 会给人类社会带来另一次技术革命,将对 21 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量产生深远影响,因而被认为是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。MEMS 是受集成电路工艺的启发发展起来的,它具有集成电路系统的许多优点, 同时又集约了多种学科发展的尖端成果。MEMS 具有以下特点:

　　(1) 微型化: MEMS 器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短;

　　(2) 以硅为主要材料,机械电气性能优良;

　　(3) 可批量生产: 用硅微加工工艺在一片硅片上可以同时制造成百上千个微机械部件或完整的 MEMS , 批量生产可以大大降低生产成本;

　　(4) 集成化: 可以把多种器件集成在一起以形成更为复杂的微系统。如微传感器、微执行器和 IC 集成在一起, 可以制造出高可靠性和高稳定性的 MEMS;

　　(5) 多学科交叉: MEMS 的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、生物等多种学科, 同时 MEMS 也为其他学科的发展和研究提供了有力的工具。

　　2 微系统的研究内容

　　微系统不仅缩小了机电系统的尺寸和体积, 还是探索新原理和新功能的器件和系统。微系统的研究已不再是传统机电系统的简单微型化,作为整个纳米技术重要组成部分的一个崭新的研究领域, 其研究内容可以分为理论基础、技术基础和应用基础三部分。

　　2.1 理论基础研究

　　物体的尺寸缩小到微观领域时, 其力学和运动原理、微观摩擦机理及许多物理效应都在发生明显变化。这部分的研究内容包括微力学、微机构学、微摩擦学、微光学、微电子学等。

　　2.2 技术基础研究

　　微系统涉及的技术基础研究领域有微系统材料、微系统能源、微机械设计、微细加工、微组装、微封装、微测试和控制及集成等。