MEMS技术发展综述

MEMS技术发展综述

施奕帆04209720

（东南大学信息科学与工程学院）

摘要：对于MEMS技术进行简要的介绍，了解其诞生与发展，所涉及的学科领域，目前的研究成果以及在生活、军事、医学等方面的应用。目前MEMS在我国的发展已取得一定成果，在21世纪可以有更大的突破，其未来在材料、工艺、微器件、微系统方面也具有巨大的发展空间。

关键词：MEMS、传感器、微制造技术

一、MEMS简介

微机电系统(micro electro mechanical system，MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，其起源可以追溯到20世纪50～60年代，最初贝尔实验室发现了硅和锗的压阻效应，从而导致了硅基MEMS传感器的诞生和发展。在随后的几十年里，MEMS得到了飞速发展，1987年美国加州大学伯克利分校研制出转子直径为60～120／μm的硅微型静电电机；1987～1988年，一系列关于微机械和微动力学的学术会议召开，所以20世纪80年代后期微机电系统一词就渐渐成为一个世界性的学术用语，MEMS技术的研究开发也成为一个热点，引起了世界各国科学界、产业界和政府部门的高度重视，经过几十年的发展，它已

成为世界瞩目的重大科技领域之一。

二、MEMS涉及领域及作用

MEMS技术涉及电子工程、机械工程、材料工程、物理学、化学以及生物医学等学科。MEMS开辟了一个新的技术领域，它的研究不仅涉及元件和系统的设计、材料、制造、测试、控制、集成、能源以及与外界的联接等许多方面，还涉及微电子学、微机构学、微动力学、微流体学、微热力学、微摩擦学、微光学、材料学、物理学、化学、生物学等基础理论

三、MEMS器件的分类及功能

目前，MEMS技术几乎可以应用于所有的行业领域，而它与不同的技术结合，往往会产生一种新型的MEMS器件。根据目前的研究情况，除了进行信号处理的集成电路部件以外，MEMS内部包含的单元主要有以下几大类：

（1）微传感器：

主要包括机械类、磁学类、热学类、化学类、生物学类等。其主要功能是检测应变、加速度、速度、角速度（陀螺）、压力、流量、气体成分、湿度、pH值和离子浓度等数值，可应用于汽车、航天和石油勘探等行业。

（2）微执行器：

主要包括微马达、微齿轮、微泵、微阀门、微开关、微喷射器、微扬声器、微谐振器等，其功能是利用不同原理与执行机构来产生力并实现位移。

（3）微型构件：

作为小型或微型机器和设备的构成部分，主要包括微膜、微梁、微探针、微齿轮、微弹簧、微腔、微沟道、微锥体、微轴、微连杆等。

（4）微机械光学器件：

即利用MEMS技术制作的光学元件及器件，目前制备出的微光学器件主要有微镜阵列、微光扫描器、微光阀、微斩光器、微干涉仪、微光开关、微可变焦透镜、微外腔激光器、光编码器等。

（5）真空微电子器件：

它是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，是一种基于真空电子输运器件的新技术，采用已有的微细加工工艺在芯片上制造集成化的微型真空电子管或真空集成电路。目前主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。由于电子输运在真空中进行，因此具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。

（6）电力电子器件：

主要是利用MEMS技术制作并用于特殊场合的电力电子器件，包括垂直导电型MOS（VMOS）器件、V型槽垂直导电型MOS（VVMOS）器件等各类高压大电流器件。

四、MEMS应用

目前，MEMS在光信号处理、生物医学、机器人、汽车、航空、航天、军事和日用电器等领域已得到广泛的应用，并有巨大潜在的应用前景和经济效益。

1．MEMS在军事上的应用

MEMS因其小、轻、廉价、功能强的特点在军事上获得了广泛的应用，包括：武器制导和个人导航芯片上的惯性导航组合、超小型、超低功率无线通信（RF MEMS）的机电信号处理、军备跟踪、环境监控、安全勘测的无人值导分布式传感器系统、小型分析仪器、推进和燃烧控制的集成微流量系统、武器安全、保险和引信、有条件保养的嵌入式传感器和执行器、高密度、低功耗的大规模数据存储器件、敌友识别系统、显示和光纤开关的集成微光学机械器件、飞机分布式空气动力学控制和自适应光学的主动、共形表面等

2.MEMS在日常生活中的应用

日常生活中经常可以看到MEMS的身影，例如任天堂的Wii手柄采用了ST的3轴加速度传感器、智能手机在很多应用中使用MEMS 技术，比如保龄球、高尔夫等运动游戏。数码相机触碰式LCD显示屏、MEMS麦克风、GPS辅助导航、喷墨打印机的喷墨头、玩具、硬盘跌落保护、MEMS微型投影仪等。

3.MEMS在生化、医学上的应用

MEMS在医学上有着微型特别适合体内、细胞尺度的优势，目前其在医学上发挥的作用有：替代器官植入（包括心脏起搏器/人工心脏、耳蜗植入/ MEMS替代有缺陷的视网膜、人工胰腺、体内量微手术、微量检测、医学成像、微流控芯片。

五、MEMS发展趋势

我国的微机电系统研究工作起步于1989年，在基础理论方面$开展了微运动学、微动力学、微摩擦学、微静力学、微管道流体力学、微传热学、换能理论和仿真等研究。

在材料方面，开展了微结构机械特性、形状记忆合金和压电材料的应用、薄膜材料的制备与特性等研究。

在工艺方面开展了表面硅和体硅工艺、LIGA工艺、准LIGA工艺、激光LIGA工艺、小机械加工工艺、放电加工工艺、化学三维成型工艺等研究。

在元器件方面，开展了微齿轮、微弹簧、微针、微夹钳、静电微电机、压电微电机、电磁微电机、微泵、微阀门、微管道、微流量传感器、微压力传感器、微加速度传感器、微温度传感器、微气敏传感器、微生物传感器、微光电传感器、光纤传感器、微谐振器、微齿轮行星减速器、微光栅及微光学器件等研究。

在测试方面，开展了微机械运动参数测试仪、微静力矩测试仪、非接触式微扭矩测试仪、微摩擦实验台、微型干涉仪、显微立体成像系统等研究。

在微系统方面，开展了微装配装置、生物细胞转基因微操作系统、微型光谱仪、基因芯片、微电泳芯片及细小管道微机器人等研究工作。

在21世纪，将通过执行高技术发展规划(“八六三”)推动MEMS

向实用化、产业化方向迈进。

参考文献：

1.杨友文，王建华,MEMS技术现状及应用[M],微纳电子技术2003年第3期

2.王立鼎,刘冲，微机电系统科学与技术发展趋势[M], 大连理工大学学报,2000年第5期

3.蒙庆华，李一凡，樊东鑫，MEMS技术发展及其在生物芯片中的应用概述[M]，广西科学院学

报，2010年26期