微机电系统技术的实际应用——微型仪器

　　1　微机电系统

　　一般说来,微机电系统(Micro Electronic Mechanical System,MEMS)是指可以用微电子等批量加工工艺制造的集微机械与微电子等部件于一体的部件或结构[1],它可以分成多个独立的功能单元,输入的物理或化学信号由传感器转换为电信号,经过信号处理后,通过执行器与外界作用。我们习惯上把含有光学部件的装置也包括在MEMS内。这些部件结构单独或集成在一起,可以在微观层次感受、控制和作动物体,并产生类似宏观的作用效果。

　　MEMS的特点和优点是显而易见的:体积小、重量轻、性能稳定;通过IC等工艺可批量生产、成本低,性能一致性好;功耗低;谐振频率高、响应时间短;综合集成度高、附加值高;具有多种能量转化、传输等功能的效应,包括力、热、声、磁及化学、生物能等。

　　鉴于上述特性和优点,MEMS自80年代中末期发展至今一直受到世界各发达国家的广泛重视,被认为是一项面向21世纪可以广泛应用的新兴技术。目前MEMS已从实验室探索走向产业化轨道[2],据美国MCNC(北卡罗来纳微电子中心)MEMS技术应用中心预测,当前MEMS业界的年增长率是10%～20%,预期2001年将有高于80亿美元的MEMS潜在市场。而其中的大量产品主要包括汽车加速度计,压力、化学、流量传感器等,及微光谱仪、一次性血压计等微型仪器(micro-instrument)产品。

　　2　微型仪器

　　关于微型仪器,目前尚未见到有关对其概念的确切的定义和描述。可以认为,微型仪器实际上就是具有仪器化功能的MEMS产品,是MEMS技术的实际应用,它具有一般仪器具有的监测(monitoring)、测量(measurement)、分析(analysis)、诊断(diagnostics)、控制(control)、作动(actuate)等等功能,是一种新型的智能结构。其基本结构模式为微传感器+信号和数据处理电路(含控制软件)+外显示器或信号输出或微作动器等。随着微电子技术的发展,有些微型仪器的基本结构已经集成在芯片上,所以国外也开始将微型仪器称为芯片上的仪器(instrument on chip或chip-sized micro-instrument)。

　　从技术和工艺上来说,微型仪器技术涵盖了微小尺度的传感器和作动器的设计、材料合成、微型机械加工、装配、总成和封装及微专用集成电路等一系列微型工程技术,它是MEMS技术与微电子技术综合集成的产物。下面我们举几个微型仪器的例子加以说明。

　　2.1　微光谱仪

　　德国Karlsruhe研究中心的微结构技术研究所和公司合作每年生产数千台微光谱分析仪,如图1所示,利用LIGA工艺制作,在400～1100 nm范围内的分辨率为7 nm,用于传输、反射和萤光测量;用于微分析系统的微型泵尺寸为7 mm×10 mm,用模铸和薄膜技术,热致动线圈厚250 nm,功率为100 mW。