微机电系统

微机电系统 发表评论(0) 编辑词条 微机电系统（英语Microelectromechanical Systems缩写为MEMS）是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米范围内。比它更小的，在纳米范围的类似的技术被称为纳机电系统。

简介
微机电系统是微米大小的机械系统，其中也包括不同形状的三维平板印刷产生的系统。这些系统的大小一般在微米到毫米之间。在这个大小范围中日常的物理经验往往不适用。比如由于微机电系统的面积对体积比比一般日常生活中的机械系统要大得多，其表面现象如静电、润湿等比体积现象如惯性或热容量等要重要。它们一般是由类似于生产半导体的技术如表面微加工、体型微加工等技术制造的。其中包括更改的硅加工方法如压延、电镀、湿蚀刻、干蚀刻、电火花加工等等。


生产微机电系统的公司的大小各不相同。大的公司主要集中于为汽车、生物医学或电子工业生产大批量的便宜的系统。成功的小公司则集中于生产创新的技术。所有这些公司都致力于研究开发。随着传感器的发展微机电系统的复杂性和效率不断提高。


常见的应用有：
在喷墨打印机里作为压电元件
在汽车里作为加速规来控制碰撞时安全气囊防护系统的施用
在汽车里作为陀螺来测定汽车倾斜，控制动态稳定控制系统
在轮胎里作为压力传感器，在医学上测量血压
数字微镜芯片
在计算机网络中充当光交换系统，这是一个与智能灰尘技术的融合
设计微机电系统最重要的工具是有限元分析。


技术
微机电系统有多种原材料和制造技术，选择条件是系统的应用、市场等等。


硅
硅是用来制造集成电路的主要原材料。由于在电子工业中已经有许多实用硅制造极小的结构的经验，硅也是微机电系统非常常用的原材料。硅的物质特性也有一定的优点。单晶体的硅遵守胡克定律，几乎没有弹性滞后的现象，因此几乎不耗能，其运动特性非常可靠。此外硅不易折断，因此非常可靠，其使用周期可以达到上兆次。一般微机电系统的生产方式是在基质上堆积物质层，然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构。


表面微加工
表面微加工是在硅芯片上沉积多晶硅然后进行加工。


深层刻蚀
深层刻蚀如深层反应离子刻蚀技术向硅芯片内部刻蚀。刻蚀到芯片内部的一个牺牲层。这个牺牲层在刻蚀完成后被腐蚀掉，这样本来埋在芯片内部的结构就可以自由运动了。


体型微加工
体型微加工与深层刻蚀类似，是另一种去除硅的方法。一般体型微加工使用碱性溶液如氢氧化钾来腐蚀平板印刷后留下来的硅。这

些碱溶液腐蚀时的相对各向异性非常强，沿一定的晶体方向的腐蚀速度比其它的高1000倍。这样的过程往往用来腐蚀v状的沟。假如选择的原材料的晶向足够精确的话这样的沟的边可以非常平。


高分子材料
虽然电子工业对硅加工的经验是非常丰富和宝贵的，并提供了很大的经济性，但是纯的硅依然是非常昂贵的。高分子材料非常便宜，而且其性能各种各样。使用注射成形、压花、立体光固化成形等技术也可以使用高分子材料制造微机电系统，这样的系统尤其有利于微液体应用，比如可携测血装置等。


金属
金属也可以用来制造微机电系统。虽然比起硅来金属缺乏其良好的机械特性，但是在金属的适用范围内它非常可靠。
目录
? 微机电系统概述
? 硅谷革命的火种MEMS
? 微机电系统：从能看到能用
? 微机电系统学科的重大意义
? 微观”的机电一体化技术——微机电系统（MEMS）
? 参考文献
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微机电系统概述编辑本段回目录 微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS的特点是：

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，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

5）多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

MEMS发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。MEMS可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。21世纪MEMS将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。

微机电系统

（micro-electromechanicalsystem—MEMS）微机电系统基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感顺、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统涉及物理学、化学、光学、医学、电子工程、材料工程、机械工程、信息工程及生物工程等多种学科和工程技术。微机电系统的制造工艺主要有集成电路工艺、微米/纳米制造工艺、小机械工艺和其他特种加工工种。微机电系统在国民经济和军事系统方面将有着广泛的应用前景。主要民用领域是医学、电子和航空航天系统。美国已研制成功用于汽车防撞和节油的微机电系统加速度表和传感器，可提高汽车的安全性，节油10％。仅此一项美国国防部系统每年就可节约几十亿美元的汽油费。微机电系统在航空航天系统的应用可大大节省费用，提高系统的灵活性，并将导致航空航天系统的变革。例如，一种微型惯性测量装置的样机，尺度为2厘米×2厘米×0.5厘米，重5克。在军事应用方面，美国国防部高级研究计划局正在进行把微机电系统应用于个人导航用的小型惯性测量装置、大容量数据存储器件、小型分析仪器、医用传感器、光纤网络开关、环境与安全监测用的分布式无人值守传感等方面的研究。该局已演示以微机电系统为基础制造的加速度表，它能承受火炮发射时产生的近10.5个重力加速度的冲击力，可以为非制导弹药提供一种经济的制导系统。设想中的微机电系统的军事应用还有：化学战剂报警器、敌我识别装置、灵巧蒙皮、分布式战场传感器网络等。
硅谷革命的火种MEMS编辑本段回目录　导读：MarketWatch今日撰文称，近来，惠普及其新的MEMS(micro-electro-mechanical system，微机电系统)加速器逐渐成为人们关注的焦点，这其实是在向硅谷传达着一个非常重要的讯息。

这讯息便是，MEMS技术实际上已经在生根发芽，很可能成为我们当前的所谓“绿色”科技之后，下一波高科技风险投资的重要趋势。

其实，惠普(HPQ)从事MEMS相关的工作已经有很长的时间了，因为喷墨打印头恰恰便是一种MEMS设备。另外一种比较著名的MEMS设备则是DLP，即所谓数字光处理器，是由德州仪器(TXN)的霍恩贝克( Larry Hornbeck)1987前后发明的。现在，DLP已经广泛应用在从电视到数码电影的诸多领域之中。这一设备自身本质上就是一片小小的硅，上面布满了成千上万微小的镜片，可以高速运动，投射出设定好的影像。

这是一种典型的MEMS设备，使用芯片作为一个纳米机电系统的控制器，而这一系统也是芯片自身的一部分。我们在Kindle电子书籍阅读器上也领

教了这一技术，所谓电子墨水其实也是一种MEMS设备。

最初的MEMS设备是1960年代首度出现在世人眼前的，但是并没有明确的用途，当时只不过是用来证明硅可以将一些可以运动的东西整合到芯片上。这一理念真正开始大发展是在1990年代早期，当时德雷克斯勒(Eric Drexler)写了一本专着，介绍纳米技术和其潜力。

MEMS的应用前景是极为广泛的，甚至可以说是无所不在，比如没有弹簧的体重计，数码纸，或者是微型陀螺仪(就像任天堂Wii操纵系统使用的那样)，总之，任何的控制器或者是传感器都可以使用这一技术。

MEMS版本的传感器和那些使用旧技术的传感器相比，最大的优势一在体积，二在价格。新传感器的体积非常小，而且制造成本也非常低廉。

这就让我们的芯片技术拥有了又一个发展方向。比如，一家葡萄酒厂可以装备成千上万的传感器，基于每一根葡萄藤的具体情况来精确控制灌溉系统。

只要是你能够想到的会使用传感器的地方，我们都可以用到这种技术。这种研究目前在美国还不是很火热，但是在欧洲情况便截然不同。不过，尽管欧洲人做得红红火火，将MEMS视作他们半导体行业未来的发展方向，但是在现实当中，惠普和德州仪器已经分别成为了这一领域的一号和二号角色，确立了自己在全世界范围内的地位。

目前，MEMS初创公司在硅谷还没有形成真正意义上的潮流。在一定程度上，这也是初始股市场冰封的现状使然，受到初始股市场现状压制的，其实也不仅仅只是硅谷。

假如《萨班斯-奥克斯利法案》的约束得以放松，这种情况可能就会迅速发生变化。这一法案使得企业束手束脚，难以得到他们所需要的公众融资。在当今的架构之下，一家初创公司假如想要获得成功，一般就只有两条路可走，一是成为某一大玩家的潜在收购对象，一是获得政府的支持，就像现在那些清洁能源公司那样。

当我们改变这种跛行的状况时，记得关注一下MEMS方面的发展。假如你看到惠普在MEMS领域大放异彩，千万不要感到吃惊，因为他们的Thinkjet早在1984年就已经开始使用这样的技术，他们的MEMS研究从那时就已经开始了。

根据Gartner的估算，MEMS业务的规模到2012年就将超过44亿美元。我想，这还是一个保守的估计。

或许，惠普现在还没有意识到自己在MEMS领域的优势所具有的重大意义，而这实际上很可能是他们企业发展的新方向。且让我们拭目以待，看看一场硅谷革命是怎样从这里开始的。
微机电系统：从能看到能用编辑本段回目录汽车工业广泛使用微机电系统

“像人体要感知外

界环境变化一样，传感器要敏感地测算物质世界的速度、压力、温度等信息。随着微加工技术的发展，微机电系统应运而生。”说起自己的本行，MEMS重大专项总体组组长孙立宁侃侃而谈。

“目前，MEMS器件应用最成功、数量最大的产业当属汽车工业。”对于它的应用，孙立宁告诉记者。

现代汽车采用的安全气囊、防抱死制动系统（ABS）、电喷控制、转向控制和防盗器等系统都使用了大量的MEMS器件。为了防止汽车紧急刹车时发生方向失控和翻车事故，目前各汽车制造公司除了装备ABS系统之外，又研制出电子稳定程序（ESP）系统与ABS系统配合使用。发生紧急刹车情况时，这一系统可以在几微秒之内对每个车轮进行制动，以稳定车辆行车方向。

近年来，国际上MEMS的专利数正呈指数规律增长，MEMS技术全面“开花”，各式各样的MEMS器件，已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监测、航空航天和国防军事等领域。其中微型压力传感器、微加速度计、喷墨打印机的微喷嘴和数字微镜显示器件（DMD）已实现规模化生产，并创造了巨大的经济效益。美国ADI公司的集成加速度计系列已经大量生产，占据了汽车安全气囊的大部分市场，年销售额约为2亿美元；TI公司利用MEMS技术生产的DMD显示设备，占有高清晰投影仪市场的大部分份额。



重大专项瞄准产业化

我国MEMS的研究始于1990年代初，起步并不晚。经过10年的发展，我国已有数十家科研机构在进行MEMS的研究，初步形成了几个MEMS研究力量比较集中的地区，并且研制出了微型加速度计和微陀螺等多种样品和样机。

然而，令人遗憾的是，这些成果基本还处于实验室阶段，国内尚无一家批量生产MEMS产品的企业。与此同时，一些国外公司已开始在国内开展业务，进行与MEMS相关产品的合作生产，企图占领国内市场。

“由于力量分散，再加上投入严重不足，在共性关键技术、研究实力和产业化等方面与发达国家相比有较大差距。”说到这里，MEMS重大专项总体组组长孙立宁话锋一转，“但是，由于MEMS产品的多样性，并且是一种正在发展的高技术，所以美、日、欧等发达国家并不能垄断MEMS市场，我们尚有很大的创新和发展空间。”“一旦放松，则会坐失良机。”孙立宁补充说。

他告诉记者，研究国外MEMS的发展进程表明，政府行为在初期发展起到了主导作用。如1992年美国把“微米级和纳米级制造”列为“在经济繁荣和国防安全两方面都至关重要的技术”。美国国家自然基金会（NSF）把微米/纳米列为优先支持的领域。日本早在1991年开始启

动了2.5亿美元的大型研究计划———“微机械十年计划”。这些国家微机电系统如火如荼的发展，离不开政府的大力支持。

在这样的大背景下，2002年，国家863计划适时启动“微机电系统重大专项”，确定了MEMS重大专项的总体目标：针对国际MEMS发展趋势和未来的产业化前景，结合我国社会经济发展的需要和核心技术发展战略，以支撑我国MEMS产业化发展的应用基础和关键技术为切入点，重点研究MEMS器件、集成系统、先进制造与测试技术及应用，逐步建立我国的MEMS研发体系和产业化基地。围绕医疗、环境、石化等行业，开发出若干小批量、多品种、高质量MEMS器件及微系统，推动MEMS可持续发展和未来产业化的形成。

微机电系统化产品全面“开花”

去年9月，随着一声巨大的爆炸声，基于MEMS的加速度传感器工程样机在山东泰安野外“一炮打响”。

在石油勘探中，传统的检波器频率响应低，信号敏感度低，测油层时要像织渔网一样布阵，每隔大约10米就要埋一个，通过炸药爆炸产生地震波来检测。就是这样，勘测的精度并不高。

如今，过去的所有工作只需一个硬币大小的微加速度传感器就轻松搞定。把微加速度传感器放入一个盒子里，插入地表1米左右，测出来的数据准确无误。目前，山东威海双丰电子集团有限公司、上海微系统所、南京石油物探研究所等单位正在联合攻关，攻克微加速度传感器的设计、制造和应用等方面的难题，进行批量制造和产业化开发工作。

“比如奥运会体育场馆周边的气象情况，随时随地都知道。”孙立宁拿着一个手机大小的仪器说，局部气象检测全靠这个“小家伙”———便携式气象检测微系统。

别看它小，温度、湿度、风速、风向、气压、能见度等气象参数，一测便知，指标还高于传统风向标的精度。对于野外、海上作业人员来说，绝对是个好帮手。“我们正准备把它集成到手机里，就变成了未来的智能手机。”

“其实，这些相关技术和器件几年前就有了，但一直处于实验室阶段，重大专项推动了从概念和原理样机到实用化的进程。”孙立宁说，通过专项确定的产业化目标的实施，带动了MEMS从设计到加工的技术平台建设，提高了我国MEMS的研究、开发与产业化的能力。

他解释说，10年前，MEMS能做出来，就轰动一时；5年前，MEMS能动能转，就很了不起，但只能演示和少量的使用，还不能完全实用化。而“十五”期间，MEMS不仅能用上，还能小批量生产。像MEM加速度传感器、特种压力传感器、人体腔道诊疗微系统、微型血液（生化）检测微系

统、气象检测微系统等MEMS器件和微系统基本达到实用化水平，开始进入产业化阶段。

微机电系统学科的重大意义编辑本段回目录1.1 微机电系统学科内涵、重大意义
微机电系统(MEMS)是指适于批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理和控制及通讯接口电路、能源等于一体的能完成特定功能的微系统。MEMS是多学科交叉的前沿研究领域，它涉及
电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学以及生物医学等学科与技术。MEMS广义上包含了微小型和微米机械。
自1987年7月一个新兴交叉学科--MEMS诞生以来，为当今的信息时代增添了新的色彩。它不仅具有微电子的信息获取与处理的功能，而且兼有动作信息的执行功能。它囊括声、光、热、力、电、磁、化学、生物等传感方式，加之微能源、微驱动、微执行、微处理系统的综合，组成千差万别的可实用化、产业化的微型集成器件与系统。
微机电系统的发展将极大地促进各类产品的微型化、集成化与便携化、成数量级地提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度地节能、节材。它将广泛地用于国防、航空、航天、生物医学、制造业、交通、通信、农业、环保以及家庭。MEMS技术引起了世界各国科学界、产业部门和政府部门的高度重视，被列入各国高技术发展规划，已经成为当今科技热点之一。展望21世纪，MEMS也会像20世纪的微电子技术给世界带来的影响那样，它的发展将可能引发一场新的产业革命。
微机电系统的出现，对于发展中的世界各国都是一次重大的历史机遇。中国开展MEMS研究工作晚于发达国家，但由于MEMS在21世纪将形成国际性的高技术市场，所以中国必须后起直追，突破若干关键技术，迎头赶上。

2 中国MEMS研发的总体概况
2，1 政府和部门的立项投人
中国的MEMS研究始于1989年，在国家"八五"、"九五"计划期间，得到了国家自然科学基金委员会、国家科技部、教育部、中国科学院和总装备部的积极支持，经费总投入约为1．5亿人民币。"十五"期间，MEMS正式列入863计划中的重大专项，加上教育部的教育振兴计划、中国科学院的知识创新体系、基金会和科技部新的立项以及地方和企业的投入，预计总经费可达3亿人民币以上。这就是说，"十五"期间在MEMS方面的经费投入是"八五"、"九五"期间经费总和的两倍(港台未统计在内)。

2．2 研发的分布地区和单位 ·
中国内地MEMS的研发单位主要集中在华北、华东和东北三个地区，还有西南地区的重庆和西北地区的西安等。初步统

计，不同层次的内地研发单位共有60余个。如：
华北地区：清华大学、北京大学、中科院电子所、石家庄13所，中科院力学所等；
华东地区：中科院上海微系统与信息技术所、上海交大、上海大学、东南大学、浙江大学、厦门大学、中国科大、南京55所等；
东北地区：大连理工大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨49所、中科院长春光机所、沈阳仪器仪表工艺所、东北大学等；
西南地区：重庆大学、重庆微系统科技股份有限公司等；
西北地区：西安交大、航空618所等；
内地其它单位还有：解放军总装备部、中科院半导体所、中科院高能物理所、北京理工大学、北京航空航天大学、南开大学、天津大学、华北工学院、复旦大学、华东师范大学、中科院上海光机所、南京航空航天大学、中科院合肥智能机械所、黑龙江大学、沈阳工业大学、沈阳47所、长春科技大学、重庆24所、重庆26所、重庆44所、中科院成都光电技术所、中国工程物理院电子所、成都电子科技大学、西北工业大学、西安电子科技大学、广东工业大学、武汉科技大学、河北科技大学、四川大学、航天集团16所等。
香港地区：香港科大、中文大学等。
台湾地区：台湾大学、清华大学、交通大学、成功大学、新竹工业园机械所等。
据统计，按部门分布如图1所示。
2.3 中国内地MEMS的研发内容
中国内地已经完成的和正在进行的MEMS研发内容按系统、器件、工艺、测试和基础理论分类如下:
微系统:微操作系统(细胞操作、微装配）；微惯性测量系统（MIMU）；微小管道机器人（电磁式、压电式）；微流体控制系统；生化芯片（阵列芯片、微流控芯片）、微型光谱仪、微型飞行器；纳米卫星；集成微微传感器。
微器件：1。微驱动器,微执行器（微元件-齿国化、弹簧、探针、梁；微电机一静电、压电(行波、驻波、串联臂)、电磁(旋转磁场、摇摆式)；微泵-膜片泵(压电、双金属片、SMA、无阀）、电渗泵（高雅、低压）、叶轮泵、螺杆泵；微阀；微喷嘴；微夹钳一压电式、ISMA、电磁式；微齿轮减速器(齿轮付、行星)；微连杆机构；微谐振器；微麦克风；2。微传感器：物理量-压力传感器(硅杯、压差、锥尖)、加速度传感器(电容、梳状、压电、力平衡)、热敏、湿敏、磁敏、声表面波、光学、光电、流量、风速；化学量-气体、生化、鲜度；3。微波器件：波分复用器、开关、天线；4。光通讯器件：光开关。
微工艺：IC工艺(表面硅、体硅)；LIGA工艺(X射线、紫外线、激光)；EDM；化学三维

刻蚀、微键合(静电、高温)、微组装
小机械加工；

微测试：微机械性能(弹性模量、摩擦磨损、强度)；微运动学(运动参数：速度、加速度、角速度、角加速度)；微动力学(静力矩、动力矩、固有频率)；微管道流体特性
基础理论：微摩擦学；微机械学；微运动学；微动力学(固态、液态)；微传热学
换能理论；静电力学；仿真、CAD、优化、可靠性
3 中国在MEMS方面关注的几个问题
3.1 基础理论与基础技术
在许多自然科学基金项目、攀登计划B项目中，已经在MEMS微尺度效应下的介观物理和细观力学等基础理论和各种微细加工工业方面进行了十余年的研究工作。由于中国内地微电子IC工业落后以及微观科学与技术的快速发展不断深入探讨MEMS的基础理论与技术就显得十分重要。MEMS发展成产业没有好的工艺基础不行，这就需要人们必须进一步关注基础理论与基础技术。纳米技术与MEMS的结合，可能产生创新结构与特性，这也是基础理论和基础技术研究的一个侧面。一些重点、重大基金，甚至是863中的MEMS项目，都对此继续给与关注。
3.2 器件与系统
MEMS研究的初期阶段，许多人着眼于机械器件的小型化、微型化技术。如研究微齿轮、微电机、微泵等等。随着人们对21世纪科技发展总趋势的认识，服务与信息科学和生命科学的MEMS耿受到科技工作者、政府和产业界的重视，注入传感器MEMS、RF与IT MEMS、生物MEMS。
器件与系统的集成技术（微结构与电路的集成设计、集成制造）已经有人在做，首先是表面硅工艺和CMOS电路的集成化。在传感MEMS方面，集成技术会发展很快。这些技术和半导体集成化芯片系统（SOC）技术的发展紧密相连。

3.3 实用化与产业化
从本文的统计来看,中国MEMS研究的覆盖面是很宽的,跟踪美国、日本和西欧新器件的速度是比较快的。从科研的角度来看，中国列与国际排名的前十位之中。 然而，中国MEMS的发展存在严重的缺陷。即中国内地的MEMS多集中在高校和非产业化的研究所，且研制的器件与系统大多数没有达到产前样机的水平。
健康地发展中国的MEMS，必须有大量的产业部门参与和投入。没有这一条，中国的MEMS就不能达到实用化和产业化。863 MEMS专项，明确要求企业介入或牵头，它为中国MEMS的实用化与产业化带来了希望。
微观”的机电一体化技术——微机电系统（MEMS）编辑本段回目录1引言
机电一体化（Mechatronics）不是机械和电子装置的简单“拼盘”，而是“机”和“电”的有机结合，在功能上互补，以实现系统的最佳构成，增加系统的功能，提高

可靠性和性价比，节省原材料和降低成本。机电一体化所涉及的领域主要包括：传统的机械设计、微电子技术、经典控制理论等内容，同时包括了现代信息处理技术、现代设计方法、软件工程，以及现代控制技术。
随着现代技术的发展，尤其是机械技术和微电子技术的进步，机电一体化的涵义也在不断发展，机电一体化已经向“宏观”（机械电子学）和“微观”（电子机械学）发展。本文着重从系统角度叙述“微观”的机电一体化，即微机电系统（MEMS）。
当前，信息技术已走上多媒体、网络化和智能化的道路，微电子信息处理已向系统级芯片集成发展。无沦从微型化或性能价格比发展看，信息获取(传感)技术和信息执行技术，即所谓“外部设备”技术都己成为发展的瓶颈，它们与“主机”的接口也成为阻碍处理速度的关键。
MEMS技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使之成为真正的信息处理系统，因此它对信息技术的革命意义是不言而喻的。
对于传统的“机械学”来说，MEMS技术不仅为之打开了“微尺寸”新领域大门，也是真正实现机电一体化的开始。所以，MEMS被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量都会有深远的影响。
2微机电系统（MEMS）概述
2.1发展背景
微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems 简称MEMS） 是近年来发展迅速的高新科学技术, 是一种集成微电子和微机械、具有微观尺寸的静止或移动部件的装置。1959 年，美国物理学家R Feynmam 提出了制造微型机械的设想。
1962 年第一个硅微型压力传感器问世，其后微梁、微齿轮等微型机构又开发成功。20世纪70年代末期，斯坦福大学开发出硅微加工的气相色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。
20 世纪80 年代初，Middelhoek著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。
美国在1987 年举行的IEEE Micro-robots and Tele-operators 研讨会的主题报告标题为small machines，large opportunities，首次提出了微机电系统（micro electro-mechanical system , MEMS）一词, 标志着微机电系统研究的开始。
1988年, 美国加州大学伯克利分校研制出直径为60~120μm的硅微型静电电机， 引起了人们的极大关注。对微机电系统研究产生很大的鼓舞。
由此可见，美国有关微系统的研究是由微电子技术发展而来，故称之为MEMS，这也是目前广为使用的名称。
在欧洲,，1989年在荷兰特文蒂( Twente) 以Micro Mechanics的名称首次召开有关微系统的研讨会。
1990 年, 在柏林召开的研讨会改称为MST (micro system-technology)，即微系统，这一称谓

更强调系统的观点，即如何将多个微型化的传感器、执行器、处理电路等元部件集成为一个智能化的有机整体。
欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道951。关于微机电系统研究——显微镜和原子力显微镜以及LIGA工艺。
在精密机械加工方面有传统优势的日本则称之为Micro-Machine即微机器。并于1988年正式建立微机械研究组织。
到20 世纪末，MEMS技术已逐渐形成一门独立学科, 得到广泛的应用. 根据NEXU S2002 年市场调查结果，目前商业MEMS及其应用发展迅速，每年可销售1 亿多个MEMS产品，2000 年MEMS的销售额更是达到300 亿美元，预计到2005 年达到680 亿美元。2002年5 月在San Jose 召开的MEMS传感器世界博览及研讨会提出了BioMEMS/BioSensor 的新观念，并探讨了MEMS在生物工程中的应用前景及所面临的挑战。
2.3 MEMS的定义
作为最近十几年来新出现的一门技术，MEM对现代科技的影响，将超过晶体管的出现，堪称为跨时代的技术。MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。但是，目前关于MEMS尚无统一的定义。一般地说MEMS具有以下几个非约束性的特征：
（1）尺寸在毫米到微米范围之内，区别于一般宏（Macro），即传统的、大于 1cm尺度的“机械”，但并非进入物理上的微观层次。
（2）基于（但不限于）硅微加工（Micro fabrication）技术制造。
（3）与微电子芯片类同，可大批量、低成本生产，使性能价格比比之传统"机械"制造技术，大幅度地提高。
（4）MEMS 中的“机械”不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应：包括力、热、声、光、磁，乃至化学、生物等。
（5）MEMS 的目标是微“机械”与 IC 集成的微系统，即具有智能的微系统。
用以上特征来衡量，用微电子技术（不限于）制造的微小机构、器件、部件和系统等都属于MEMS范围，微机电系统不仅能够采集、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执行机械操作。微机械和微系统只说明 MEMS发展的不同层次，而有关的科学技术都可统称为 MEMS 技术。
一般来说，微机械多指构造较简单能动作的微构造，它是构成微机电系统的要素技术。微机电系统（MEMS）则指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。
2.2 MEMS的基本特点
MEMS具有以下特点：
（1）体积小，精度高，质量轻。机械按其特征尺寸可以这样划分：1～10mm为（微）小型机械；1μm～1mm为微型机械；1n

m～1μm为纳米机械。MEMS体积可小至nm数量级，尺寸精度亦可达nm数量级，质量可轻至ng。
（2）性能稳定，可靠性高。由于微机电系统的体积甚小，几乎不受热膨胀、噪声和扰曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下稳定工作。
（3）能耗低，灵敏性和工作效率高。微机电系统所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍。
（4）多功能及智能化。MEMS最终将实现集微型传感器、微型执行器、信号处理和微电子控制电路、接口电路、通讯电路、电源于一体的目标，特别是应用智能材料和采用智能结构后，更利于实现微机电系统的多功能化及智能化。
（5）适合大批量生产，制造成本低廉。如MEMS可采用与半导体制造工艺相仿的方法生产，采用类似集成电路（IC）的生产工艺和加工过程，像生产超大规模集成电路芯片一样在一硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本，而且地球表层硅的含量为2%，几乎取之不尽，因此MEMS产品在经济性方面更具竞争力。
（6）“机械”的含义大为拓宽。微机电系统所指的“机械”，不限于狭义的机械力学中的机械，它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应：其中包括力、热、声、光、磁等，乃至化学、生物等等。
3微机电系统（MEMS）的基础研究及应用
微机电系统（MEMS）相关的研究分为理论基础研究和技术基础研究，理论基础研究是围绕着微尺度和学科渗透这些核心问题进行和展开的。技术基础研究则是MEMS的工艺实现方法的研究，包括设计、材料、模拟、加工、封装和测试等一系列生产步骤以及相关工艺。本文主要从系统观点出发叙述MEMS，因此有关技术基础研究的内容略去。
3.1MEMS理论基础研究
与宏观机电系统相比，不仅几何尺寸大大缩小，其自身还将有传统理论难以作出解释和预测的特定规律。在这一方面的基础性研究将极大地促进MEMS的发展。
尺度效应是MEMS中许多物理现象不同于宏观现象的一个非常重要的原因。所谓的尺寸效应是指在经典宏观规律适用的条件下，结构和器件的性能随特征尺度减小发生的变化。
尺寸效应对MEMS的影响：在当前MEMS所能达到的尺度下，宏观世界基本的物理规律仍然起作用，但由于尺寸缩小带来的影响，许多物理现象与宏观世界有很大区别，相应物理量的作用可能发生急剧变化，而且与尺寸不一定成线性关系。原先在宏观结构中占主导作用的物理量在微结构和器件中的作用可能下降，而另一些次要

作用力却上升到主导地，因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，因此有必要对微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学进行深入的研究。这一方面的研究虽然受到重视，但难度较大，往往需要多学科的学者进行基础研究。
目前在MEMS理论基础研究方面已取得了一些进展， 但尚不系统。除了微摩擦学等分支外，大多是结合具体材料和器件的研制过程进行的。
3.2MEMS的应用
MEMS技术的应用范围广泛，MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿研究领域，几乎涉及到自然科学及工程技术的所有领域，如电子技术、机械技术、物理学、化学、生物医学、材料科学和能源科学等。与不同的技术结合，往往便会产生一种新型的MEMS 器件。
目前，除了进行信号处理的集成电路部件以外，微机电系统的应用主要有以下几大类：
（1）微传感器。传感器是应用最广泛也是最成熟的MEMS，包括敏感和检测力学量、磁学量、热学量、化学量和生物量等的传感器。每一类又可以细分为多种，例如微加速度计等传感器。
（2）微执行器。主要包括微电机、微陀螺、微泵、微进给装置等。
（3）微型构件。三维微型构件主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。
（4）微机械光学器件。即利用MEMS技术制作的光学元件及器件，主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。
（5）真空微电子器件。它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前主要应用如场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。
（6）电力电子器件。主要包括MEMS技术制作的垂直导电型MOS（VMOS）器件、V型槽垂直导电型MOS（VVMOS）器件等各类高压大电流器件。
（7）微小型机器人。随着电子器件的不断缩小，组装时要求的精密度也在不断增加，使微小型机器人的实现成为可能，微小型机器人是指外形很小，便于进入微小空间进行可控操作的微型机械，比如微小型的介入诊疗机器人等。显然，微小型机器人是典型的“微观”机电一体化系统。
4微机电系统（MEMS）的宏观、微观辩证统一
微机电系统（MEMS）是现代机械工程技术发展的前沿，机电一体化系统进入太空、水下的同时，也必然地进入了微观世界。然而，宏观与微观之间并没有严格的界定，在某些特定的条件下，在物理上属于微观

世界范畴的物体和场又被看作宏观范畴。实质上，宏观与微观是一对相对的概念，所谓的宏观是相对微观而言的，反之也是如此。宏微观的演化是辩证统一的，科学地处理好宏观——微观的辩证统一关系，对MEMS的研究具有理论指导意义。
4.1宏—微观转换及其相互关系
对于微机电系统（MEMS），由于尺寸效应，现有宏观世界的一些控制方法不再有效。与特征尺寸L的高次方成比例的惯性力、电磁力( L3) 等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力( L2) 、表面张力( L1) 、静电力(L0) 等的作用相对增大。这也是微型系统常以静电力、表面张力作为驱动力的原因。随着尺寸的减小, 表面积(L2) 与体积(L3) 之比相对增大。因而热传导、化学反应等速度加快，表面间摩擦阻力显著增大。材料性能和摩擦现象受制作工艺的影响。
以上是“微小”操作所涉及的力。传统（宏观）的机电一体化系统的作业，是在同一工作空间完成的，而MEMS的操作过程则是宏观和微观空间的结合——首先是大面积寻的操作，如介入诊疗机器人进入作业空间的过程，然后是在微观范围内完成精密操作。这需要整个操作过程能够实现宏—微观的切换，完成类似“浏览”与“凝视”的操作切换。
对于系统精度来说，在一个大系统下实现微米级运动，误差来源是多方面的，实现高精度存在许多困难。由于各子系统对精度的影响不同，问题采取一视同仁是不科学的，也是不经济的，对各子系统如何恰如其分地提出误差限度是有指导意义的。
4.2宏—微观的辩证统一
宏观与微观是相对的，以介入诊疗机器人的细胞操作为例，一个卵细胞的直径大约为100微米左右，一般“浏览”时希望能够看到尽可能多的细胞，我们的操作中大约在1000微米范围。而“凝视”时，希望能看到精微的细节，大约在100 微米左右。对一般工业机器人来讲1000 微米已属于微的范畴，但对于微操作而言它却是宏的范畴。对于更高要求的操作来讲100微米又属于宏的范畴。由此可以看出在机电一体化系统的操作过程中，宏观与微观不是一个绝对的概念，是一个相对的，随客观环境及所要完成的任务的要求而改变的。
仍然从介入诊疗机器人细胞微操作的要求来看，首先，在宏观范围进行粗定位，捕获一个目标细胞，送入微观视野；微操作则要选择刺入的角度、方向、深度以及达到操作所要求的精度等。从上述过程我们可以看到，整个操作是一个从宏观到微观，整体到局部，由粗到精的过程。宏观选定目标，微观达到具体指标。由此我们可以得出宏微操作的规律，宏微操作中，最后所要达到的目的由微

操作来实现，微操作是目的，是根本，要达到系统提出的精度要求首要任务就是提高微操作的精度；但在整个操作过程中没有宏过程微操作是盲目的，没有目的的，必须由宏观操作来确定目的，并导引到微观可操作的范围。
从宏微操作中得到的规律出发得到如下结论：宏观与微观是相对的，而非绝对的概念。宏、微双方，微观一方是根本，是根据，居决定的地位。在多层宏微关系中，越是低层的微观越是根本。宏观是功能，是体现，居控制地位，是高层的宏观功能愈强大。一般系统提出的要求对宏观与微观来讲是矛盾的，要完美地实现系统的功能必需将宏微有机地结合起来，形成宏观与微观的统一体。可概括为：微为本，宏为功，宏微相对，辩证统一。
上述结论对于微机电系统（MEMS）技术发展来讲，具有方法论的意义。