微機電系統(tǒng)[1]

老鷹

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

 

: R3 x* x: j& O; r3 v+ J1 p7 ~* j

一分錢硬幣大小、頭發(fā)絲粗細，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，頭發(fā)絲粗細的馬達，你可能就要瞠目結舌。微機電系統(tǒng)（簡稱為MEMS）就是這樣一些令人“匪夷所思”的微型智能化系統(tǒng)。

, V5 q8 W: t% W4 ^# ~

　　汽車工業(yè)廣泛使用微機電系統(tǒng)

　　“像人體要感知外界環(huán)境變化一樣，傳感器要敏感地測算物質(zhì)世界的速度、壓力、溫度等信息。隨著微加工技術的發(fā)展，微機電系統(tǒng)應運而生。”說起自己的本行，MEMS重大專項總體組組長孫立寧侃侃而談。 1 w4 O2 Z& e' ?* M! D% i

　　“目前，MEMS器件應用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)當屬汽車工業(yè)。”對于它的應用，孫立寧告訴記者。 3 ~' O, |7 L! x" c4 X7 Z

　　現(xiàn)代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動系統(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，這一系統(tǒng)可以在幾微秒之內(nèi)對每個車輪進行制動，以穩(wěn)定車輛行車方向。

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

　　重大專項瞄準產(chǎn)業(yè)化 / }% B0 U8 ]6 r4 `) z& T; q% P- H

　　我國MEMS的研究始于1990年代初，起步并不晚。經(jīng)過10年的發(fā)展，我國已有數(shù)十家科研機構在進行MEMS的研究，初步形成了幾個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和微陀螺等多種樣品和樣機。

　　然而，令人遺憾的是，這些成果基本還處于實驗室階段，國內(nèi)尚無一家批量生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品的企業(yè)。與此同時，一些國外公司已開始在國內(nèi)開展業(yè)務，進行與MEMS相關產(chǎn)品的合作生產(chǎn)，企圖占領國內(nèi)市場。

　　“由于力量分散，再加上投入嚴重不足，在共性關鍵技術、研究實力和產(chǎn)業(yè)化等方面與發(fā)達國家相比有較大差距。”說到這里，MEMS重大專項總體組組長孫立寧話鋒一轉(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，所以美、日、歐等發(fā)達國家并不能壟斷MEMS市場，我們尚有很大的創(chuàng)新和發(fā)展空間。”“一旦放松，則會坐失良機。”孫立寧補充說。 . ^% l2 s5 W( q

　　他告訴記者，研究國外MEMS的發(fā)展進程表明，政府行為在初期發(fā)展起到了主導作用。如1992年美國把“微米級和納米級制造”列為“在經(jīng)濟繁榮和國防安全兩方面都至關重要的技術”。美國國家自然基金會（NSF）把微米/納米列為優(yōu)先支持的領域。日本早在1991年開始啟動了2.5億美元的大型研究計劃———“微機械十年計劃”。這些國家微機電系統(tǒng)如火如荼的發(fā)展，離不開政府的大力支持。 # v- b* ]0 U& d) f* p) c6 a) a

　　在這樣的大背景下，2002年，國家863計劃適時啟動“微機電系統(tǒng)重大專項”，確定了MEMS重大專項的總體目標：針對國際MEMS發(fā)展趨勢和未來的產(chǎn)業(yè)化前景，結合我國社會經(jīng)濟發(fā)展的需要和核心技術發(fā)展戰(zhàn)略，以支撐我國MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的應用基礎和關鍵技術為切入點，重點研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進制造與測試技術及應用，逐步建立我國的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MEMS可持續(xù)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)化的形成。 ) n$ z3 C5 O: Z9 A {% y9 J

　　微機電系統(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在山東泰安野外“一炮打響”。

　　在石油勘探中，傳統(tǒng)的檢波器頻率響應低，信號敏感度低，測油層時要像織漁網(wǎng)一樣布陣，每隔大約10米就要埋一個，通過炸藥爆炸產(chǎn)生地震波來檢測。就是這樣，勘測的精度并不高。 7 |0 O: p- K- O. w. _( ?0 j# ?

　　如今，過去的所有工作只需一個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盒子里，插入地表1米左右，測出來的數(shù)據(jù)準確無誤。目前，山東威海雙豐電子集團有限公司、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，攻克微加速度傳感器的設計、制造和應用等方面的難題，進行批量制造和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作。

　　“比如奧運會體育場館周邊的氣象情況，隨時隨地都知道。”孫立寧拿著一個手機大小的儀器說，局部氣象檢測全靠這個“小家伙”———便攜式氣象檢測微系統(tǒng)。 & m, I/ a- |/ C, Z6 R! r. X$ n# G

　　別看它小，溫度、濕度、風速、風向、氣壓、能見度等氣象參數(shù)，一測便知，指標還高于傳統(tǒng)風向標的精度。對于野外、海上作業(yè)人員來說，絕對是個好幫手。“我們正準備把它集成到手機里，就變成了未來的智能手機。” 1 C7 b* N* v Y! H2 ^$ Z: ^) [- X

　　“其實，這些相關技術和器件幾年前就有了，但一直處于實驗室階段，重大專項推動了從概念和原理樣機到實用化的進程。”孫立寧說，通過專項確定的產(chǎn)業(yè)化目標的實施，帶動了MEMS從設計到加工的技術平臺建設，提高了我國MEMS的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的能力。 4 q6 r' [' N& u0 a$ W7 \2 u& B

　　他解釋說，10年前，MEMS能做出來，就轟動一時；5年前，MEMS能動能轉(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）檢測微系統(tǒng)、氣象檢測微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)基本達到實用化水平，開始進入產(chǎn)業(yè)化階段。

　　■我說863

    孫立寧（微機電系統(tǒng)重大專項總體組組長） ! @) M' p. z* @) n

　　微機電系統(tǒng)(MEMS)重大專項的定位是重點研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進制造與測試技術及應用。“十五”期間，專項的工作重點是打基礎，通過平臺建設，掌握MEMS設計、制造、測試、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識產(chǎn)權的關鍵技術，建立我國的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地，同時研究與開發(fā)具有創(chuàng)新性的器件與微系統(tǒng)。

　　目前，專項已突破了若干關鍵技術，加工能力和成品率得到很大的提高，為國內(nèi)的MEMS研發(fā)提供了良好的服務和平臺。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)達到實用化水平，開始進入產(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）檢測微系統(tǒng)、氣象檢測微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)取得可喜的進展，基本達到實用化階段，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。

　　針對國際微納技術發(fā)展趨勢和我國未來的產(chǎn)業(yè)化前景，“十一五”將繼續(xù)完善我國MEMS制造技術與研發(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)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。圍繞環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療與健康、公共安全快速檢測與預警等國家需要，研究開發(fā)有自主知識產(chǎn)權的微納系統(tǒng)設計與制造核心技術、系統(tǒng)集成技術、關鍵裝備和單元產(chǎn)品，提升我國微納系統(tǒng)自主設計和微納制造的核心競爭力，并在某些方面進入國際領先水平。 ! K6 ?6 k$ y4 T! @# c' p

　　■鏈接 1 w! N% o* P7 p# x

　　微機電系統(tǒng)（MicroElectro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS），是融合了硅微加工、光刻鑄造成型（LIGA）和精密機械加工等多種微加工技術制作的微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)。 + ] F3 y3 @) x: p) r$ d# h* ]

　　它是在微電子技術基礎上發(fā)展起來的，但又區(qū)別于微電子技術(IC)。在IC中，有一個基本單元，即晶體管。利用這個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，還工作在機械能范疇或其它能量范疇如磁、熱等。 * t2 y/ w$ N9 `5 ~) A% e- o

　　1987年，美國UCBerkeley發(fā)明的微馬達，引起國際學術界的轟動。1993年，美國ADI公司采用該技術成功地將微型加速度計商品化，并大批量應用于汽車防撞氣囊，標志著微機電系統(tǒng)技術商品化的開端。1990年代，眾多發(fā)達國家先后投巨資并設立國家重大項目促進MEMS技術發(fā)展。此后，MEMS技術發(fā)展迅速，特別是深槽刻蝕技術出現(xiàn)后，圍繞該技術發(fā)展了多種新型加工工藝。一次性血壓計是最早的MEMS產(chǎn)品，目前國際上每年都有幾千萬只的用量。

tatami0926

第一次聽說微機電系統(tǒng)。感覺有些新鮮
; y4 r) D. k/ H, [5 M; l! @. s

minmin0000

我的老師就是搞微機電的，做的靠聲波驅(qū)動的馬達，微機電和細微加工有點差不多，要用加工芯片的技術來加工的，比如雕刻，腐蝕，積沉等！

minmin0000

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

老鷹

曉鳴大俠，請帶動一下微機電方面的討論啊，這個技術很有前景，國內(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，學校圖書館里資料挺多的！可惜我現(xiàn)在不在學校了！

xiaohongmn

微機電系統(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

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

不了解國內(nèi)半導體制造水平。很希望在這個領域發(fā)展。