MEMS--微观世界中的神奇“机器”

作者：哈尔滨工业大学学报

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 一分钱硬币大小、头发丝粗细，这样的描述语我们都很熟悉。但是，要说一分钱硬币大小的飞机、头发丝粗细的马达，你可能就要瞠目结舌。微电子机械系统（简称为ＭＥＭＳ）就是这样一些令人“匪夷所思”的微型智能化系统。 ＭＥＭＳ 是英文ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ 的缩写，即微电子机械系统，是专指那种外形轮廓尺寸在毫米量级以下、构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米／纳米量级、可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它将微型电机、微型电路、微型传感器、微型执行器等等微型装置和器件集成在硅片上。这种微型机电系统不仅能够搜集、处理与发送信息或指令还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。 ＭＥＭＳ器件一般由两部分组成的，一部分是基于微机械加工工艺的微传感器；另一部分是与传感器相配套的处理电路。ＭＥＭＳ器件工作时，通过微传感器感知待测量（如温度、压力、加速度、声波等）的变化，引起微传感器某些参数的变化，将其通过处理电路转变成电信号，再经过处理电路检测输出，经过一定的计算就能够得出需要的数值。 ＭＥＭＳ的优势在于可将传感器与处理电路利用ＣＭＯＳ工艺集成在一块ＩＣ上，同时具有较机械式传感器更高的响应速度和更小的封装尺寸。半导体硅材料具有良好的机械性能以及光电效应、压阻效应和霍尔效应等多种敏感特性，便于制作信号敏感与处理电路集成的传感器。绝大多数微型传感器均采用半导体硅材料制作。ＭＥＭＳ器件及系统的设计加工与传统的设计加工不同，传统的设计加工思路是从零件到装配最后到系统的自下而上的方法。ＭＥＭＳ系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在整体考虑下几乎同时制造出来，零件和系统是紧密结合在一起的一种自上而下的方法。微型传感器的主流工艺是硅基微机械加工工艺，包括体硅微机械加工工艺、表面微机械加工、微电铸技术、键合技术等。它来源于已经成熟的半导体工艺，可以同时加工出大量且几乎完全相同的机械结构。因此，除了具有体积小、重量轻、能耗低等优点外，微型传感器的可靠性较高，其价格远远低于采用传统机电技术和普通半导体平面工艺制作的传感器，所以，ＭＥＭＳ技术的应用日趋广泛。 现代汽车发动机的电子控制系统，一直是ＭＥＭＳ技术在汽车中的主要应用领域之一。飞思卡尔和博世公司生产了数以百万计的多路压力传感器。这些器件测量出的多路进气压力可以用来计算空气／燃料比。传统的多路绝对压力传感器和气囊加速度计几乎已经完全被微型化的传感器所替代。在废气循环ＥＧＲ系统中，陶瓷电容式压力传感器正为微型硅压阻式传感器所取代。在轮速测量、冷却系统压力、发动机油压力和刹车压力测量方面，人们已经开始用基于ＭＥＭＳ技术的传感器来取代已有的产品。 哈尔滨工业大学ＭＥＭＳ中心成立于１９９６年，主要从事制造和研究微结构（微米、亚微米、纳米级）、ＡＳＩＣ（专用集成电路）、微传感器和微系统等工作，主要的研究方向有集成惯性器件、声－振动集成多功能传感器、 集成温度传感器、自检测压力—温度多功能传感器、微流体芯片ＭＥＭＳ微型燃料电池等。 ＭＥＭＳ中心研制的入侵预警无人值守系统采用自主研发的高灵敏、高可靠声－振动集成多功能传感器为核心敏感模块和自备电源的无线通讯模块。可监测室内外环境的震动与声音信号，一般用在楼宇、仓库、厂房等区域的入侵预警及失窃追踪等领域。在航空航天、石油化工、水电、冶金制造、锅炉、控制等领域都有广泛的应用。ＭＥＭＳ中心研制的ＭＥＭＳ微燃料电池，体积只有一元钱硬币大小，输出电压大于６００ｍＶ，输出电流大于１３ｍＡ，可以用在计算器、手机等各种电子器件中。 中国的一些公司和研究机构在ＭＥＭＳ技术的研究和推广上也取得了相当大的成就。据资料介绍，“九五”期间，通过微齿轮、微泵、微电机、微马达、微型飞机和微型陀螺等研究，中国科学家提出和发展了由于尺度效应而产生的微机械学，创造性地发展了微细电火花加工、三维半导体加工和深层刻蚀（ＬＩＧＡ）等微细加工工艺，以及扫描遂道、原子力显微镜等纳米测量技术，部分成果已达到国际先进水平。此外，ＭＥＭＳ技术已开始在我国的社会生活中发挥作用，如微操作机器人已开始用于生物工程中的细胞分割、显微手术和生物芯片的制造工艺中；微传感器已经用于飞行器的加速度、压力等参数的实时测量；纳米薄膜润滑技术已用于“长征三号”火箭和计算机硬盘的制造工艺上。ＭＥＭＳ产品已经渐渐成为机械的高级维护系统、微型工厂、人体管腔诊断和检查系统等需要微型、微细机械的主流产品。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/28/2008)