微機(jī)電系統(tǒng)[1]

老鷹

[微機(jī)電系統(tǒng)近年很熱，應(yīng)用很多很尖端。找了幾篇文章，是簡(jiǎn)介性質(zhì)的，拋磚引玉，希望專業(yè)人士參加討論，希望初學(xué)者在選定自己專業(yè)方向的時(shí)候可以參考。]

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一分錢硬幣大小、頭發(fā)絲粗細(xì)，這樣的描述語我們都很熟悉。但是，要說一分錢硬幣大小的飛機(jī)，頭發(fā)絲粗細(xì)的馬達(dá)，你可能就要瞠目結(jié)舌。微機(jī)電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為MEMS）就是這樣一些令人“匪夷所思”的微型智能化系統(tǒng)。

　　汽車工業(yè)廣泛使用微機(jī)電系統(tǒng) 7 g5 a1 A7 t1 o% V1 ? p6 O" |

　　“像人體要感知外界環(huán)境變化一樣，傳感器要敏感地測(cè)算物質(zhì)世界的速度、壓力、溫度等信息。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。”說起自己的本行，MEMS重大專項(xiàng)總體組組長(zhǎng)孫立寧侃侃而談。 r5 R ^7 i6 Y1 n, f! {

　　“目前，MEMS器件應(yīng)用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)當(dāng)屬汽車工業(yè)。”對(duì)于它的應(yīng)用，孫立寧告訴記者。

　　現(xiàn)代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、電噴控制、轉(zhuǎn)向控制和防盜器等系統(tǒng)都使用了大量的MEMS器件。為了防止汽車緊急剎車時(shí)發(fā)生方向失控和翻車事故，目前各汽車制造公司除了裝備ABS系統(tǒng)之外，又研制出電子穩(wěn)定程序（ESP）系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)配合使用。發(fā)生緊急剎車情況時(shí)，這一系統(tǒng)可以在幾微秒之內(nèi)對(duì)每個(gè)車輪進(jìn)行制動(dòng)，以穩(wěn)定車輛行車方向。 2 Q" n0 A5 Z+ Y, o

　　近年來，國(guó)際上MEMS的專利數(shù)正呈指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)，MEMS技術(shù)全面“開花”，各式各樣的MEMS器件，已成功地應(yīng)用于自動(dòng)控制、信息、生化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空航天和國(guó)防軍事等領(lǐng)域。其中微型壓力傳感器、微加速度計(jì)、噴墨打印機(jī)的微噴嘴和數(shù)字微鏡顯示器件（DMD）已實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國(guó)ADI公司的集成加速度計(jì)系列已經(jīng)大量生產(chǎn)，占據(jù)了汽車安全氣囊的大部分市場(chǎng)，年銷售額約為2億美元；TI公司利用MEMS技術(shù)生產(chǎn)的DMD顯示設(shè)備，占有高清晰投影儀市場(chǎng)的大部分份額。 N! q3 B2 O' X) p2 X

　　重大專項(xiàng)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化

　　我國(guó)MEMS的研究始于1990年代初，起步并不晚。經(jīng)過10年的發(fā)展，我國(guó)已有數(shù)十家科研機(jī)構(gòu)在進(jìn)行MEMS的研究，初步形成了幾個(gè)MEMS研究力量比較集中的地區(qū)，并且研制出了微型加速度計(jì)和微陀螺等多種樣品和樣機(jī)。 : } Y2 Z$ M- w% z6 L

　　然而，令人遺憾的是，這些成果基本還處于實(shí)驗(yàn)室階段，國(guó)內(nèi)尚無一家批量生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品的企業(yè)。與此同時(shí)，一些國(guó)外公司已開始在國(guó)內(nèi)開展業(yè)務(wù)，進(jìn)行與MEMS相關(guān)產(chǎn)品的合作生產(chǎn)，企圖占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 9 b( y3 O3 J: J# B2 ~) ?. i& H" L

　　“由于力量分散，再加上投入嚴(yán)重不足，在共性關(guān)鍵技術(shù)、研究實(shí)力和產(chǎn)業(yè)化等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大差距。”說到這里，MEMS重大專項(xiàng)總體組組長(zhǎng)孫立寧話鋒一轉(zhuǎn)，“但是，由于MEMS產(chǎn)品的多樣性，并且是一種正在發(fā)展的高技術(shù)，所以美、日、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家并不能壟斷MEMS市場(chǎng)，我們尚有很大的創(chuàng)新和發(fā)展空間。”“一旦放松，則會(huì)坐失良機(jī)。”孫立寧補(bǔ)充說。 ' e3 L4 C, D9 V6 P

　　他告訴記者，研究國(guó)外MEMS的發(fā)展進(jìn)程表明，政府行為在初期發(fā)展起到了主導(dǎo)作用。如1992年美國(guó)把“微米級(jí)和納米級(jí)制造”列為“在經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)防安全兩方面都至關(guān)重要的技術(shù)”。美國(guó)國(guó)家自然基金會(huì)（NSF）把微米/納米列為優(yōu)先支持的領(lǐng)域。日本早在1991年開始啟動(dòng)了2.5億美元的大型研究計(jì)劃———“微機(jī)械十年計(jì)劃”。這些國(guó)家微機(jī)電系統(tǒng)如火如荼的發(fā)展，離不開政府的大力支持。

　　在這樣的大背景下，2002年，國(guó)家863計(jì)劃適時(shí)啟動(dòng)“微機(jī)電系統(tǒng)重大專項(xiàng)”，確定了MEMS重大專項(xiàng)的總體目標(biāo)：針對(duì)國(guó)際MEMS發(fā)展趨勢(shì)和未來的產(chǎn)業(yè)化前景，結(jié)合我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和核心技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，以支撐我國(guó)MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的應(yīng)用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)為切入點(diǎn)，重點(diǎn)研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進(jìn)制造與測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用，逐步建立我國(guó)的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地。圍繞醫(yī)療、環(huán)境、石化等行業(yè)，開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)，推動(dòng)MEMS可持續(xù)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)化的形成。

　　微機(jī)電系統(tǒng)化產(chǎn)品全面“開花”

　　去年9月，隨著一聲巨大的爆炸聲，基于MEMS的加速度傳感器工程樣機(jī)在山東泰安野外“一炮打響”。 ' `$ {) [" U4 ]3 ]! @* @' U

　　在石油勘探中，傳統(tǒng)的檢波器頻率響應(yīng)低，信號(hào)敏感度低，測(cè)油層時(shí)要像織漁網(wǎng)一樣布陣，每隔大約10米就要埋一個(gè)，通過炸藥爆炸產(chǎn)生地震波來檢測(cè)。就是這樣，勘測(cè)的精度并不高。 0 ?8 p- f5 X) W

　　如今，過去的所有工作只需一個(gè)硬幣大小的微加速度傳感器就輕松搞定。把微加速度傳感器放入一個(gè)盒子里，插入地表1米左右，測(cè)出來的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。目前，山東威海雙豐電子集團(tuán)有限公司、上海微系統(tǒng)所、南京石油物探研究所等單位正在聯(lián)合攻關(guān)，攻克微加速度傳感器的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面的難題，進(jìn)行批量制造和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作。 " ~/ G* W' g- U# M2 U L5 r

　　“比如奧運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)館周邊的氣象情況，隨時(shí)隨地都知道。”孫立寧拿著一個(gè)手機(jī)大小的儀器說，局部氣象檢測(cè)全靠這個(gè)“小家伙”———便攜式氣象檢測(cè)微系統(tǒng)。

　　別看它小，溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓、能見度等氣象參數(shù)，一測(cè)便知，指標(biāo)還高于傳統(tǒng)風(fēng)向標(biāo)的精度。對(duì)于野外、海上作業(yè)人員來說，絕對(duì)是個(gè)好幫手。“我們正準(zhǔn)備把它集成到手機(jī)里，就變成了未來的智能手機(jī)。” 6 v, {: W0 ^% q0 x4 ]3 d f

　　“其實(shí)，這些相關(guān)技術(shù)和器件幾年前就有了，但一直處于實(shí)驗(yàn)室階段，重大專項(xiàng)推動(dòng)了從概念和原理樣機(jī)到實(shí)用化的進(jìn)程。”孫立寧說，通過專項(xiàng)確定的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)的實(shí)施，帶動(dòng)了MEMS從設(shè)計(jì)到加工的技術(shù)平臺(tái)建設(shè)，提高了我國(guó)MEMS的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的能力。

　　他解釋說，10年前，MEMS能做出來，就轟動(dòng)一時(shí)；5年前，MEMS能動(dòng)能轉(zhuǎn)，就很了不起，但只能演示和少量的使用，還不能完全實(shí)用化。而“十五”期間，MEMS不僅能用上，還能小批量生產(chǎn)。像MEM加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統(tǒng)、微型血液（生化）檢測(cè)微系統(tǒng)、氣象檢測(cè)微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)基本達(dá)到實(shí)用化水平，開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。 3 ?/ R' l+ u; Z3 D. P

　　■我說863 9 H8 Z0 e! }7 Y4 M5 ?0 X" _

    孫立寧（微機(jī)電系統(tǒng)重大專項(xiàng)總體組組長(zhǎng)） ( h! Z; g7 L$ V

　　微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)重大專項(xiàng)的定位是重點(diǎn)研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進(jìn)制造與測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用。“十五”期間，專項(xiàng)的工作重點(diǎn)是打基礎(chǔ)，通過平臺(tái)建設(shè)，掌握MEMS設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，建立我國(guó)的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，同時(shí)研究與開發(fā)具有創(chuàng)新性的器件與微系統(tǒng)。 4 u0 A0 \! B+ o; I" d* J

　　目前，專項(xiàng)已突破了若干關(guān)鍵技術(shù)，加工能力和成品率得到很大的提高，為國(guó)內(nèi)的MEMS研發(fā)提供了良好的服務(wù)和平臺(tái)。圍繞醫(yī)療、環(huán)境、石化等行業(yè)，開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)。若干MEMS器件和微系統(tǒng)達(dá)到實(shí)用化水平，開始進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。MEMS加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統(tǒng)、微型血液（生化）檢測(cè)微系統(tǒng)、氣象檢測(cè)微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)取得可喜的進(jìn)展，基本達(dá)到實(shí)用化階段，并積極開展了多種方式的產(chǎn)業(yè)化工作。此外，在柔性傳感器陣列、微型燃料電池、致冷器、透皮藥物釋放微系統(tǒng)等方面取得創(chuàng)新研究成果，為MEMS的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 ; G. ^9 z5 E1 @) @" C5 \0 f2 D1 C

　　針對(duì)國(guó)際微納技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)未來的產(chǎn)業(yè)化前景，“十一五”將繼續(xù)完善我國(guó)MEMS制造技術(shù)與研發(fā)體系，形成MEMS的自主開發(fā)與批量制造能力，部分MEMS器件與微系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。圍繞環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療與健康、公共安全快速檢測(cè)與預(yù)警等國(guó)家需要，研究開發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微納系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造核心技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、關(guān)鍵裝備和單元產(chǎn)品，提升我國(guó)微納系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)和微納制造的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并在某些方面進(jìn)入國(guó)際領(lǐng)先水平。

　　■鏈接

　　微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems，簡(jiǎn)稱為MEMS），是融合了硅微加工、光刻鑄造成型（LIGA）和精密機(jī)械加工等多種微加工技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)。

　　它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(shù)(IC)。在IC中，有一個(gè)基本單元，即晶體管。利用這個(gè)基本單元的組合并通過合適的連接，就可以形成功能齊全的IC產(chǎn)品；在MEMS中，不存在通用的MEMS單元，而且MEMS器件不僅工作在電能范疇，還工作在機(jī)械能范疇或其它能量范疇如磁、熱等。

　　1987年，美國(guó)UCBerkeley發(fā)明的微馬達(dá)，引起國(guó)際學(xué)術(shù)界的轟動(dòng)。1993年，美國(guó)ADI公司采用該技術(shù)成功地將微型加速度計(jì)商品化，并大批量應(yīng)用于汽車防撞氣囊，標(biāo)志著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)商品化的開端。1990年代，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家先后投巨資并設(shè)立國(guó)家重大項(xiàng)目促進(jìn)MEMS技術(shù)發(fā)展。此后，MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，特別是深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后，圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。一次性血壓計(jì)是最早的MEMS產(chǎn)品，目前國(guó)際上每年都有幾千萬只的用量。

tatami0926

第一次聽說微機(jī)電系統(tǒng)。感覺有些新鮮

minmin0000

我的老師就是搞微機(jī)電的，做的靠聲波驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)，微機(jī)電和細(xì)微加工有點(diǎn)差不多，要用加工芯片的技術(shù)來加工的，比如雕刻，腐蝕，積沉等！

minmin0000

to:老鷹，我不搞微機(jī)電，只是我大學(xué)的老師在搞，南京大學(xué)物理系有細(xì)微加工，芯片加工，這方面的研究，正好我的老師搞機(jī)電的就在這方面有點(diǎn)成果出來，我看過這方面的資料，上課時(shí)和老師聊聊就知道了些。

老鷹

曉鳴大俠，請(qǐng)帶動(dòng)一下微機(jī)電方面的討論啊，這個(gè)技術(shù)很有前景，國(guó)內(nèi)的科研和產(chǎn)業(yè)方面的最新情況，希望你能介紹一下，讓社區(qū)工程師了解一些。謝謝！

minmin0000

太客氣了，我過幾天找個(gè)加速度傳感器方面的資料來吧，用在汽車的安全氣囊上的。我知道的也不多，學(xué)校圖書館里資料挺多的！可惜我現(xiàn)在不在學(xué)校了！

xiaohongmn

微機(jī)電系統(tǒng),也是第一次聽到啊,感覺很神奇哦!

liushuang198111

我有很多微機(jī)電系統(tǒng)的資料,有需要的可以聯(lián)系我,都是英文的

軒軒

聽說過，但是不甚了解。

amoysea

很有前景的一個(gè)行業(yè)。我在澳大利亞讀研究型碩士時(shí)，就從美國(guó)ADI公司買了一個(gè)MEMS的陀螺儀和加速度芯片，自己封裝用于測(cè)量賽車動(dòng)力。

不了解國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體制造水平。很希望在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展。