微纳米技术

微纳米技术国内外发展现状

——————微加速度传感器 MEMS是英文Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。微电子机械系统技术是建立在微米/纳米基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。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，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、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采取行动。它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。微电子机械系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，该技术将对未来人类生活产生革命性的影响。

基于MEMS技术的微型传感器是微机电系统研究中最具活力与现实意义的领域。微加速度传感器作为微传感器的重要分支一直是热门的研究课题。本文基于对微加速度传感器研究现状的综述，探讨了微加速度传感器的发展趋势。

微加速度传感器是一种十分重要的力学敏感传感器，其研究与开发始于80年代初，是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。我国从1992年开始致力于微加速度传感器的研究，清华大学、重庆大学、北京大学、东南大学、电子工业部第十三所、中科院上海冶金研究所等单位均开展了各种结构的微型加速度传感器的研究，并取得了一些阶段性成果，但尚未具备批量生产的能力，与产业化相距甚远。

微加速度传感器可通过其加工技术、控制系统类型、敏感机理来分类。应用于微加速度传感器的敏感机理很多，目前有文献报道的主要有压阻式、电容式、温敏式（热对流式）、真空微电子式、隧道式、谐振式等形式。

压阻式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，将输入转换为弹性结构的形变，从而引起制作在弹性结构上的压敏电阻阻值的变化，再通过外界电路将电阻的变化转换为电压或电流的变化。

电容式微加速度传感器是通过可动质量块感应加速度，利用平行板电容将质量块的相对位移转换为电容的变化，再通过检测电路将电容的微小变化转换为与其成正比的电压的变化。

热对流式微加速度传感器的设计思想就是利用敏感体内气流的加速运动来检测加速度，通过一定的方法将加速度转换为检测电路的输出电压。

真空微电子式加速度传感器的工作原理是：阴极或阳极在加速度发生变化时将受力而发生位移，导致阴、阳极间距改变，从而使阴极表面场强和阴极发射电流发生变化，通过检测电流变化获得加速度。

隧道式微加速度传感器利用的是电子势垒隧道效应，它把输入的加速度转换为质量块的相对位移，再通过隧道效应将位移量转换为隧道电流的变化，最后用检测电路测出这个电流变化量而获得相应加速度的大小。

近几年来，MEMS器件正在加速向具有信号处理功能的微传感器芯片，以及能够完成独立功能的“片上系统”（微系统）方向发展。当前，传感器的发展呈现微型化、集成化、阵列化、系统化、智能化、多功能化的趋势，而基于MEMS 技术的微加速度传感器的研制必须根植于自身的技术、工艺特点，并能不断满足科学技术的发展及军民两用的需求。微加速度传感器不是单纯的几何尺寸的微型化，它在尺度、材料、工艺与工作原理等方面与传统的机电传感器截然不同，是一种全新的设计理念。目前MEMS传感器研究中存在的许多有关微摩擦学、微机构动力学、微流体力学和材料微观力学特性等问题已经成为制约MEMS技术发展的“瓶颈”。因此，发展微机械设计理论势在必行。

我国的MEMS研究与国际上的最大差别是在产业化推进方面尚未具备大批量生产的能力。虽然各种机理MEMS加速度传感器的报道层出不穷，但大多处于实验室研究阶段（尤其是集中在高校和非产业化的研究所），主要是受微加工工艺水平及微弱信号检测水平的制约。因此，需要也只有产业界及时介入才能引领中国的MEMS研究从实验室走向市场，打造科技向现实生产力转化的技术平台。