论述微机电系统mems原理应用以及发展趋势

论述危机电系统（MEMS）原理应用以及发展趋势
090920413 贾猛机制四班首先，我们了解什么叫MEMS。

MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。

MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，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，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。

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。

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发展现状及市场规模：MEMS技术发展日新月异，各种新产品不断涌现。

随着新微机电系统和微系统产品的诞生和不断发展，这些产品的市场扩展非常迅速，MEMS产品在商业市场的每个方面都将占据主导地位。

根据市场研究机构The Information Network预估，2008年全球MEMS应用市场将成长11%，市场规模可达78亿美元，其中MEMS在消费电子应用比例可近五成，规模将为35亿美元，预估到2012年全球MEMS应用市场规模将达154亿美元，其中MEMS消费电子应用规模可成长至71亿美元。

iSuppli的报告则指出，手机将会是MEMS 下一阶段最具潜力的应用市场，成长预期可超过PC周边和汽车感测领域；到2012年MEMS在手机领域的应用规模将达8.669亿美元，约为2007年3.048亿美元的3倍，出货量达2.009亿颗,是2007年的4倍。

市调机构Yole Development的报告更为乐观，其预计2012年MEMS零组件在手机应用市场规模可望达到25亿美元。

部分MEMS重要应用介绍：
IT/消费电子领域
众多机构都看好未来MEMS在IT/消费电子领域的应用，这一领域也是MEMS未来最大的市场。

的确，Wii和iPhone的热销使得电子产品终端厂商不得不提高对MEMS的重视，加快了MEMS的普及。

MEMS赋予电子产品独特的人机交互体验，使得电子产品更娱乐化、智能化。

伴随着MEMS技术的不断成熟以及应用领域的不断拓展，MEMS产品将广泛地应用于喷墨打印头、投影仪、笔记本等计算机类产品，手机等通讯产品以及MP3、MP4、游戏机、麦克风等消费电子产品中。

汽车工业
汽车工业是微机电系统的主要应用市场之一，规模较大。

MEMS可以使汽车更安全，使驾驶更舒适，并可提高燃烧效率和降低排放。

1993年，美国ADI公司采用MEMS技术成功将微型加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术商品化的开端。

现阶段，MEMS在汽车中的应用可分为四类，即安全、发动机和动力系统、舒适和便利及汽车诊断和健康监测。

生物医学
MEMS技术极大地推动了生物医学工程及相关领域的进步，使得诸如医学检测与分析、介入治疗、监测等方面获得很大的发展。

举个例子，灵巧药丸或靶药物输送，实际上是包含传感器，储药囊和微压力泵的微型仪器，可注入人体，并在人体内部的精确部位施放精确剂量的药物；监测皮肤或体内温度的集成无线微型食品，可用来监测皮肤或相关器官温度等参数，并将信息以350Hz的载波频率传送到接收器，在尺寸为4.6mm*6.8mm的芯片上集成了传感器的电子线路和微天线。

医学领域，细胞操作、临床化验、基因分析和遗传诊断、介入治疗以及生物芯片等都将是未来MEMS可以发挥优势的领域。

航空航天和国防军事
MEMS技术首先将促进航天器内传感器的微型化、节能、降低成本和大幅度提高系统可靠性，其微小，灵活和智能化的特点正是在国防军事应用方面难得的优点。

如，可作为侦察敌情用的微型航空器，可称为芯片级的微型航天器和纳卫星，以及能跟踪，监测的分布式无人值守传感器群等。

美国国防部正在推动的军事领域MEMS应用主要有：(1)武器、制导和平衡中采用MEMS惯性测量；(2)分布式传感、控制维护、智能化和化学识别；(3)大容量数据存储、显示的信息技术。

除此之外，近年来，科技人员也提出了智能卫星小组（Intelligent satellite teams）的概念，主要致力于数十个，上百个，上千个同类卫星，如纳米卫星（10g-10kg）或皮卫星（10mg-10g）的协同工作，完成太空任务，如空间硬件的构建，地球和空间科学等。

MEMS未来技术发展趋势
根据ＭＥＭＳ发展的现状，人们对今后ＭＥＭＳ技术的发展进行了大量的预测，ＭＥＭＳ技术在今后的主要发展趋势如下：
1.应用领域广，需求市场大。

ＭＥＭＳ技术涉及的领域主要包括惯性器件如微加速度计与微陀螺、微镜、三维微型结构的制作、微型阀门、泵和微型喷口、流量器件、微型光学器件、各种执行器等十几个技术领域，研究内容在航空航天、汽车、生物技术、消费产品、军事、环境保护、保健制药以及远程通信等方面都有应用。

１９９９年微电子市场已经接近１５００亿美金，２００５年大概是１８００亿美金，需求增长率超过３０％，市场发展得非常迅速。

2.ＭＥＭＳ器件芯片制造与封装的加工工艺多样化。

随着物理、化学等基础技术和材料、机械等工程技术的发展，ＭＥＭＳ制造技术和封装技术将是微机电系统未来发展的一个重要研究领域。

3.微系统集成化程度更高。

由于一般传感器的输出信号（电流或电压）很弱，若将它连接到外部电路，则寄生电容、电阻等的影响会彻底掩盖有用的信号，因此采用灵敏元件外接处理电路的方法已不可能得到质量很高的传感器。

只有把两者集成在一个芯片上，才能具有最好的性能。

美国ＤＡＲＰＡ预测的不同用途的ＭＥＭＳ器件中集成的晶体管和机械部件来制成系统单片达到高集成化的。

4.研究对象的差异性大。

由于研究领域广泛，涉及方方面面，因而研究的个体差异性大，普通商用的低性能ＭＥＭＳ器件如压力传感器与高性能特殊用途如航空、航天、军事用ＭＥＭＳ器件并存，例如在加速度计的制造中，可广泛应用于汽车安全气囊等的具有很高经济价值的加速度计要求精度为０．５ｇ；应用于
航空航天等高科技领域的加速度计要求精度为１０ｇ～８ｇ。

微机电系统面临的挑战
1.由于ＭＥＭＳ加工设备的昂贵以及微加工工艺的多样性，许多研究单位都不可能拥有自己的生产线和实验设备，所以迫切需要更有效的利用ＭＥＭＳ加工资源。

先进光刻机的单台价格已超过１０００万美元，２０．３２ｃｍ（８英寸）硅片清洗机的价格也已超过２００万美元。

巨额投资已成为制约我国微机电产业发展加速的因素，所以亟需建立设备共享，建立有效的高技术设备的平台，提高有限的设备资源。

采取国家支持、供需结合或与院校合作成立实验室等方式，创造设备单位与研究单位密切配合的条件。

2.设计ＭＥＭＳ器件都需要精确的解析模型和仿真系统来预测其行为，从ＭＥＭＳ涉及到加工成品都需满足可靠性能应用要求，所以需要高效率的模拟设计模型和系统仿真工具，精确预测ＭＥＭＳ器件执行情况，以缩短研究开发时间。

3.ＭＥＭＳ器件的制作工艺和封装必须开发出相应的标准技术，将一些制作工艺标准化，提供与工艺相关的交互式设计接口，降低ＭＥＭＳ的设计门槛，提高器件的工艺性；同时将一些封装技术标准化，可以在同类型ＭＥＭＳ器件中避免为每种器件单独开发相应的封装技术，在不影响ＭＥＭＳ器件性能的前提下，大大节约封装成本较高。

4.由于ＭＥＭＳ新工艺缺乏工程理论和实践支持，导致成品率不高，ＭＥＭＳ的基础理论还没有太大的突破，导致器件的设计很多还是处于大东西单纯的变小，对微米尺度的基本现象的研究理论指导还不系统。

所以需要建立ＭＥＭＳ技术的质量控制标准，这对提高ＭＥＭＳ器件的成品率有着决定性的作用。

相信这个瓶颈问题得到解决，就可以摆脱很多ＭＥＭＳ东西用起来不可靠、性能又不见得比同类传统产品好的尴尬局面。

5.目前ＭＥＭＳ专业技术人员还非常匮乏，ＭＥＭＳ专业人员培养时间长、投入大、要求的知识面广，因此需要建立起有效的人才培训及保障体制，通过多种机制和特惠政策支持，吸引国内外ＭＥＭＳ研发的高层次人才，积极开展ＭＥＭＳ的国际交流合作。

经过几十年的发展，我国已拥有一支宝贵的技术队伍，在各专业领域积蓄了丰富的实践经验，但由于从事微机电系统研究制造业的企业少而且小，人才资源不足，创新能力弱，缺少研发力量，特别是高水平的技术人才严重缺乏。

我们要积极广开门路，吸纳人才，尤其是在国外工作和研究的高级专业人才，并积极加强国内微机电技术人才的培养。

MEMS 的发展将以以下基础技术的发展为前提:
( 1) 微系统的设计技术
微机电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, 是自下而上的方法; 微机电系统是采用微电子和微机械加工技术将所有的零件、电路和系统在通盘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, 是一种自上而下的方法。

微系统的设计技术主要是设计方法的研究, 其中计算机辅助设计( CAD) 是微系统设计的主要工具。

CAD 设计工具包括: 器件模拟、系统校核、优化、掩膜板设计、过程规划等, 还应建立混合的机械、热和电气模型, 进一步考虑还包括物理、化学效应进行更加综合的描述和分析。

与宏观的CAD 设计工具相比,目前为微系统开发的CAD 还不能很好地满足要求。

( 2) 微细加工
微细加工技术是微机电系统技术的核心, 也是微机系统技术中最活跃的领域。

MEMS 学科涉及到的加工技术主要有: 体微加工技术, 主要包括湿法和干法腐蚀; 表面微加工技术, 主要包括结构层和牺牲层的制备和腐蚀; 键合技术, 主要包括静电键合和热键合; 高深宽比微加工技术, 主要包括LIGA 技术和DEM 技术。

在实际应用中还要借助集成电路工艺, 如光刻、电镀、扩散、淀积等技术。

( 3) 微系统测量技术
微系统由于自身的尺寸已在毫米及或以下, 故其测量技术的要求就更高。

微系统测量技术涉及材料的性能、电气机械性能, 微结构和微系统参数和性能测试等各个方面, 所以需要在测量的基础上, 建立微结构材料的数据库和系统的数学、力学模型。

( 4) 微系统的集成与控制
微系统的集成是微机电系统发展的必然趋势, 它包括系统设计、微传感器和微执行器与控制、通信电路及微能源的集成等。

随着微系统的快速发展和广泛应用于军事、生物医疗、工业等各个领域, 对微系统的集成控制要求也日益提高,微系统的集成控制水平将是微系统发展水平的重要标志。

MEMS 的关键技术
MEMS 的飞速发展是与相关的制造加工技术的进展分不开的。

微电子集成工艺是其基础。

此外, 要构成MEMS
的各种特殊结构, 除了开发各种新加工工艺和完善现有的工艺外, 还要解决以下问题: CAD 技术、封装和测试、可靠性、应用研究和标准化问题。

在CAD 封装和测试方面, MEMS和IC 的最大区别在于MEMS 要与现实世界发生多方面的相互作用, 涉及多种能量和物质的传输和处理, 因此比IC 要复杂得多, 成为MEMS 技术进一步发展的瓶颈。

目前各国的科研机构已对这些问题给于了高度的重视, 正在努力的解决, 并有所突破。

MEMS 的可靠性和应用研究是目前MEMS 技术的难点。

可靠性是MEMS 器件使用者最关心的问题之一, 尤其是在MEMS 应用于医疗领域时, 可靠性尤为突出。

粘附、杂质玷污以及加工中的残余应力, 是目前M EMS 中造成机械结构失效的主要原因。

IC 技术的成熟和广泛应用与可靠性规律的充分掌握和测试手段的完善是分不开的。

同时,M EMS 的工艺和材料比IC 丰富得多, 其失效规律必然更加多样化, 故有必要进行深入的研究。

另外, 掌握了失效规律后, 如何在设计、制造和使用中避免失效也是MEMS 研究的一个重要方面。

MEMS 的基础理论研究的必要性在于: MEMS 有其自身的特点, 它不是简单的将宏观的机电系统微型化, 其自身还有传统理论难以做出解释和预测的特定规律。

MEMS 由于几何尺寸的微小化, 力的尺寸效应和表面效应在微观领域将变得非常突出, 此时, 体积力已不是主要的, 相反表面张力、范德华力等将起主要作用。

在进行微机械理论的研究时, 一定要注意力的尺寸效应、微结构表面效应、热传导等的研究。

目前在MEMS 理论研究方面已取得了一些进展, 但尚不系统, 有待于进一步研究。