微电子机械系统(MEMS)及其应用的研究

　　20世纪80年代后期,随着大规模和超大规模集成电路的迅速发展,微型机电系统(MEMS)的研究得到了迅猛的发展。MEMS并不是传统机械电子的直接微型化,在物质结构、尺度、材料、制造工艺和工作原理等方面远远超出传统机械电子的概念和范畴。它可以说是微电子技术的拓宽和延伸,将微电子、微机械、传感器等技术相互融合,实现了微电子与机械融为一体的系统,这是一种面向新世纪的高新技术,其意义和应用将涉及航空航天、军事、生物医学工程、太空探险、深海探查等领域,因此一旦技术上成熟并形成产业,将对国民经济建设、国防建设乃至社会发展产生深远影响。图1所示为微型机电系统的模型,它主要由微型传感器、执行器和相应的处理电路3部分组成[1~2]。MEMS在不同的国家其名称也有所不同,在日本称为微机械(Micromachine),而在欧洲则是微系统技术(Micro Systems Technology,MST),在英国有时也称为微工程(Micro-engineering)。MEMS约有30年的发展历史,60年代的硅压阻的压力传感器是一个里程碑,但真正取得进展还是近10多年的事。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。

　　微型机器人(Microrobot)是可编程通用的微型机电系统。它是MEMS研究开发的重要分支,是一门复杂的综合性更强的技术学科。它在毫微环境下,完成信息采集、传递和进行设定操作及作业的主要载体和工具,是微型机电系统发展的最高阶段。近年来出现的利用精密加工或微细加工技术制作的微驱动器,使得在微观领域中对外界做功、进行操作或移动成为可能,同时微电子学和各种微传感器技术的发展,使得机械具备了信息采集和处理的能力,在这样的背景下,微机器人研究才成为现实。从技术角度来看,微机器人系统包括微传感器、微执行器、微驱动器、微型结构等。正如10年、20年前对微处理器的应用范围无法全面预测那样,随着微机器人(微机电系统)的发展,将会不断发现许多新的重要的应用领域。

　　1　MEMS的特点[3]

　　(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。在1 in2(1 in2=6.45 cm2)大小的硅片上可以实现32×32的光交叉连接(OXC),这样就可以节省空间,促使系统结构小型化,系统更加紧凑;MEMS与一般的机械系统相比,不仅是体积的缩小,而且在力和运动原理、材料特性、加工、测量和控制方面都将发生很大的变化。在MEMS中,所有的几何变形是如此之小(分子级),以致于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在;MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的,而再不是由于载荷压力引起的[4],即牛顿摩擦定律f=μ·N已不适用于MEMS系统。MEMS器件以硅为主要材料,硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近铜和钨,因此MEMS器件机械电气性能优良。