微機電系統(tǒng)技術

作者：清華大學 微米 / 納米技術研究中心 周兆英 葉雄英 唐 飛 朱俊華 湯揚華 卜敏強 來源：《電子產(chǎn)品世界》 一、概述 微機電系統(tǒng)（micro electro-me-chanical systems，mems）是指可批量制作的，集微型機構、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。mems是隨著半導體集成電路微細加工技術和超精密機械加工技術的發(fā)展而發(fā)展起來的。圖1是mems的模型框圖。 mems的特點是： 1）微型化：mems器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應時間短。 2）以硅為主要材料，機械電器性能優(yōu)良：硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢。 3）批量生產(chǎn)：用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的mems。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，或形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復雜的微系統(tǒng)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的mems。 5）多學科交叉：mems涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科，并集約了當今科學技術發(fā)展的許多尖端成果。 mems發(fā)展的目標在于，通過微型化、集成化來探索新原理、新功能的元件和系統(tǒng)，開辟一個新技術領域和產(chǎn)業(yè)。mems可以完成大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務，也可嵌入大尺寸系統(tǒng)中，把自動化、智能化和可靠性水平提高到一個新的水平。二十一世紀mems將逐步從實驗室走向實用化，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術、國防和科學發(fā)展產(chǎn)生重大影響。 二、基礎性研究 當尺寸縮小到一定范圍時，許多物理現(xiàn)象將與宏觀世界有很大差別，一些常規(guī)理論將作修正。目前，mems的研究主要還是依賴經(jīng)驗和反復試探，完整的微觀尺度下的理論體系尚未建立，這已經(jīng)嚴重地阻礙了mems技術的進一步發(fā)展。因此，微觀尺度下的基礎性理論研究顯得尤為重要。 1.尺度效應和表面效應 尺度效應研究已有較長的時間。力的尺度效應和表面效應說明，在宏觀領域作用微小的力和現(xiàn)象，在微觀領域可能起著重要的作用。在微小尺寸領域，與特征尺寸l的高次方成比例的慣性力、電磁力（l3）等的作用相對減小，而與尺寸的低次方成比例的粘性力、彈性力（l2），表面張力（l1）、靜電力（l0）等的作用相對增大；隨著尺寸的減小，表面積（l2）與體積（l3）之比相對增大，表面力學、表面物理效應將起主導作用。尺度效應的研究將有助于mems的創(chuàng)新。 2.微流體力學 微流體現(xiàn)象與宏觀規(guī)律有相當?shù)牟顒e，有的規(guī)律需要進行較大的補充和修正。例如：微細通道內(nèi)流動是否還符合navier-stokes方程；微小裝置中流體驅動機制可用表面張力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小裝置中流體的相變點（飽和壓力和溫度）不再是常數(shù)，而隨尺度減小而降低；微細管道固液界面的微觀物理化學特性所產(chǎn)生的化學效應，如電泳、電滲，對微流體的力學行為有重要影響。 3.力學和熱力學基礎 微觀領域中的力學和熱力學問題的基礎研究可分為兩大類，一當物體尺度縮小至與粒子運行的平均自由程同一量級時，則介質(zhì)連續(xù)性等宏觀假定不再成立；另一類，雖然連續(xù)介質(zhì)等宏觀假定仍然成立，但由于物體尺度的微小化，各種作用力的相對重要性產(chǎn)生了逆轉，從而導致了宏觀規(guī)律的變化。 在微型光機電系統(tǒng)研究中主要需考慮的是第二類情況，其具體特點有：材料的失效模式，不僅與材料的本征關系有關，而且與材料的微結構有關；很大，從而傳熱效率很高；界面、表面特征更加顯著。 須發(fā)展介于宏觀與微觀之間的研究方法，例如宏微觀力學、宏微觀熱力學等。此外還應注意電磁、機械、力學和熱學相結合的交叉學科研究方法。 4.微機械特性和微摩擦學 微結構材料機構特性中的彈性模量、波松比、疲勞極限、強度，以及內(nèi)應力和內(nèi)部缺陷的研究和數(shù)據(jù)庫的建立引起了人們的重視，有些力學量需要重新作出科學的表述。微觀摩擦學包括納米摩擦行為及其控制研究、薄膜潤滑與超滑技術研究、微觀表面形貌與表面力學、表面物理效應研究、微磨損和微觀表面改性研究。 5.微學學的基礎理論 如：標量波設計理論、矢量波設計理論、近