MEMS技术研究与应用

作者：沈阳仪表科学研究院 徐开先

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, ... 近来，MEMS技术越来越引起业界的广泛重视与共识，这是因为MEMS技术形成的产品具有微型化、高性价比、能批量生产且与IC技术兼容等特点而成为一个全新的技术领域。 MEMS的基本概念及发展情况 MEMS定义 目前，MEMS（Micro Electron Mechanic Systems）的定义尚无统一标准，通常有三种： 广义定义 MEMS是指集微传感器、微执行器、信号处理及控制电路、接口电路、通信电路及电源于一体的完整的微型机电系统。它可将机械构件、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。 狭义定义 MEMS专指构成元件尺寸是微（纳）米量级的可控制、可运动的微型机电系统，或指用微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的系统。 工艺上的定义 MEMS是用微电子技术、微加工技术（硅体微加工、硅表面微加工、LIGA技术、键合技术等）相结合的制造工艺，制造出微传感器、微执行器、微驱动器以及微系统。 MEMS的研究内容 基础理论研究 主要研究微尺寸效应、微磨擦、微结构的机械效应。微机械、微传感器、微执行器等的设计原理和控制方法。 制造工艺研究 主要研究微材料性能、微加工工艺技术、微器件的集成和装配以及微测量技术等。 世界上制作MEMS器件的工艺技术主要有三种：第一种是以美国为代表的利用化学离蚀或IC工艺，对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。目前，国内主要利用这种方法制备MEMS器件，该方法与IC工艺兼容，可实现微机械和微电子的系统集成，适合批量生产，成为制备MEMS器件的主要技术；第二种是以德国为代表的LIGA技术（德文Lithographie— 光刻，Galvanoformung—电铸，Abformang— 铸塑，三个词的缩写），它利用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑工艺形成深层微结构方法，制作MEMS器件。然而，这种方法需要一套独特的工艺装备，价格昂贵，但可制作深刻蚀器件；第三种方法以日本为代表，利用传统的机械加工手段，即利用“大机器”制造“小器件”，再用“小器件”制造“微器件”。 应用研究 主要是研究MEMS器件，如微传感器、微电机、微型阀、微加速度计、微惯性器件等的应用方法，特别是研究其应用领域的拓展和应用中出现的问题，可靠性和稳定性问题是应用过程中主要研究的内容之一。 MEMS的发展趋势 系统单片集成化 将敏感元件（Sensor）+专用集成电路（ASIC），集成在同一芯片上，以提高MEMS器件的灵敏度和可靠性。美国AD公司生产的集成加速度传感器就是如此。 制备工艺多样化 研究MEMS器件的各种制备工艺，如：体硅加工工艺、表面牺牲层工艺、溶硅工艺、LIGA工艺（光刻、电铸和铸塑）、声激光刻蚀、非平面电子束光刻、镀膜（溅射）工艺、硅 — 硅键合工艺、电火花加工、微量切割、MEMS各种型式的封装工艺等，这些新工艺可谓是层出不穷。 研究方向广泛化 对MEMS的研究，不仅涉及基础理论、制备工艺、应用技术，还涉及到MEMS技术与其他如通信技术、计算机技术的结合问题，更涉及到一些新兴学科和一些前沿技术的综合分析与应用。MEMS技术在许多领域引发了一场“微小型”革命。特别是MEMS器件的应用十分广泛，从几次大型的国际会议和国内专业会议来看，其研究方向大约有十余方面，如微传感器：力、热、磁、光、声、化学、生物器件等；微执行器：微型泵、微阀、微轴承、微电机、微探针；微惯性器件：微加速度计、微陀螺等。而MEMS在军工方面的应用更是为军界所倚重。 提高器件实用化 MEMS器件实用化有二个概念。一是器件有良好的性能和价格比，工艺稳定、成熟，能进行批量生产，MEMS器件与IC器件不同，MEMS器件一般都有活动部件，必须要考虑到生产过程中的成品率问题，因此器件的结构形式和封装水平对器件的实用影响很大，应引起高度关注。另一方面要必须考虑MEMS器件在应用时的可靠性问题，特别是在器件的设计、制造以及到具体应用的各个环节都需考虑。另外，还包括MEMS器件的测试标准和测试方法的研究。 MEMS器件的应用 工业自动控制领域 MEMS器件在工业自动控制领域有着广阔的应用前景。特别是对“温度、压力、流量”三大参数的检测与控制，MEMS器件大有用武之地。目前普遍采用有微压力、微流量和微测温器件，在一些技术要求较高，应用条件和要求特殊的场合，MEMS器件就有着特殊的优势。 生物医学领域 MEMS器件在生物医学领域的应用越来越广泛，如微型血压计、神经系统检测、细胞组织探针和生物医学检测，并证实MEMS器件具有再生某些神经细胞组织的功能。 光电领域 Agere公司推出业界首款三维MEMS系统。该系统由微镜像开关、驱动器芯片等系列器件构成，集光、电、微机械和微封装于一体，优势是能够简化交换设备和交叉联接光纤联网系统的设计和制造，大大加快了全光网技术和设备的发展。 MEMS器件应用于数字光处理器件（DLP）。其产品核心是数字微镜器件（DMD）光半导体芯片。目前全球已有40家著名的TV和放映设备厂开始采用DLP子系统，LG公司展示了3款采用DLP子系统的52英寸彩电。 日本航空电子研究所的OADH元件使用于DMDW通信系统中，用于筛选出某个波长信号或者迭加信号。 生活家庭领域 汽车安全气囊、汽车用各种参数检测中的微传感器、游戏机系统均采用MEMS器件。在游戏机中，MEMS芯片组成的器件可以取代游戏机中各种链杆或按键，使用者只需改变这种器件的位置，即可随心所欲地控制整个游戏过程。 军工领域 MEMS器件的军事应用越来越受到军界的重视，应用十分广泛。 射频元器件 基于MEMS的开关、滤波器、可变电容、电感等射频元器件已取得的实质性进展，将在军用相控雷达、无线电通信中率先应用。 燃料电池 利用MEMS技术研发的微型燃料电池、处理器、超级电容器一体化装置等都已有产品问世。美国防部透露，2003年配置在便携式军用电子装备上的电池容量为1000w.h/kg，2006年为3100w.h/kg。国外正在利用MEMS技术研制实用化和高效率的微型燃料电池。 制导弹药 MEMS惯性器件仍被列为国防关键技术予以发展。国内外已小批量生产硅微机械振动陀螺和硅加速度计构成的MEMS惯性测量装置用于近程导弹。国外正在加速研制高精度、低成本、集成化和抗高冲击的MEMS惯性测量装置。研究在芯片上制造光纤陀螺，并企图在一块芯片上实现INS（惯性导航）以及扩展INS的应用范围，为作制导的炮射弹药（榴弹炮弹、迫击炮弹、火箭炮弹等）提供廉价和一次性的制导和控制，提高打击精度。 电子引信 采用MEMS技术能在硅片上制作传感器、定时器、开关和控制元件，甚至可以集成电雷管最核心的部件电桥，最终形成内在质量好、可靠性高和更安全的固态电子引位。在引信设计中，包括保险装置在内的MEMS引信的尺寸将缩减到当前引信的10％，所用部件减少40％，重量至少减轻60％，使引信产生划时代的变革。 仿生机器生物 仿生机器人是借助于MEMS技术进行开发研究的，模仿动物或昆虫的生物形态、结构、习性行为的电子装置，可执行间谍、窃听、拍照、目标搜索、毒气探测、地雷探测等人类无法达到或相当危险的环境中的任务，甚至可根据需要引爆自身，达到与敌同归于尽的目的。正在开发的仿生机器生物项目有仿真苍蝇、蝙蝠、金枪鱼和龙虾等。 微飞行器 微飞行器MAV集MEMS、航空电子、飞行力学和推进器技术于一体，在战场的前沿用于侦察、电子干扰、搜寻、救援以及生物探测等军事用途。今后数年内，研制的目标是MAV的长×宽×高不超过150mm3，重量10～120g，续航时间20～60min，巡航速度30～60km/h，有效载荷1～20g，最大的飞行距离是10km，能实现图像传输，可自主飞行。 微纳卫星 利用MEMS技术，可将常规卫星上的许多部件微型化，例如气相分析仪、环形激光光纤陀螺、图像传感器、微波收发射机、电动机和执行器等，均可制作成专用的集成微型部件或仪器，甚至能在同一芯片上构成芯片级卫星，提高卫星的信息获取和防御能力，降低卫星发射成本。国外相继开展军用MEMS基础研究与应用探索，军用MEMS已不再是一个纯技术概念，它涉及到的新原理、新功能、新结构非常多，并包括各种微型传感器、敌我识别系统、数据存储系统、微显示器件、小型分析仪、微型火箭以及微自适应流体控制机构等具体装置。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/17/2009)