微机电系统综述

微机电系统综述

摘要：微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上兴起的一个多学科交叉的前沿领域，集中了当今科学技术发展的许多尖端成果，在汽车电子、航空航天、信息通讯、生物医学、自动控制、国防军工等领域应用前景广阔[1]。本文介绍了微机电系统起源及研究发展的背景，综述了微机电系统所涉及的器件设计、制作材料、制作工艺、封装与测试等关键技术，介绍了微机电系统在微传感器、微执行器、微机器人、微飞行器、微动力能源系统、微型生物芯片等方面的典型应用，大量先进的MEMS器件有望在未来几十年中从实验室推向实用化和产业化。

关键词：MEMS；微机械加工；封装；测试；应用

Abstract;Micro-electromechanical system(MEMS)，developed on the basis of microelectronics，is a scientific research frontier of multidiscipline and assimilates the most advanced achievements in current research and development．MEMS extends into various fields with wide application prospects，such as automotive electronics, aeronautics and astronautics，information communication, biomedicine，auto-control and defense industry，and so on．This paper introduces the basic theory research of MEMS development and its background.Summarizes the key technologies of MEMS such as device design，fabricating material, machining processes ,micro-packaging and testing．Further more，the typical applications and latest development in fields including micro-sensor，micro-actuator，micro-robot，micro air vehicle，micro-power energy system，micro biological chip are discussed．A plenty of advanced MEMS devices would be put into practicality and industrialization from laboratory in recent decades．

Keywords:micro-electromechanical system; micro -machining; package; testing; usage

1 引言

微机电系统简称为MEMS（Micro-Electro-Mechanical System），是利用微米/纳米技术，以微细加工为基础，将微传感器、微执行器和电子电路、微能源等组合在一起的微机电器件、装置或系统。它既可以根据电路信号的指令控制执行元件实现机械驱动，也可以利用传感器探测或接受外部信号。传感器转换后的信号经电路处理，再由执行器变为机械信号，完成执行命令[2]。基于其微细加工，可用于完成传统大尺寸所不能完成的任务，也可以把独立微器件，如微传感器或执行器直接嵌入到大尺寸系统中，以达到提高系统可靠性、降低成本、实现系统智能化和自动化的要求。

MEMS并非单纯是宏观机械的微小化，它的研究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，开辟一个新的科学技术领域和产业。微电子学、微机械学、微光学、微动

力系、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微机构学和微生物学等构成了MEMS 的理论基础[3]。

MEMS 是一种获取、处理和执行操作的集成系统。其系统组成图如下： 力

其他化学

温度

声音

光

传感元件模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理与其他微系统的通信接口（光/电/磁）执行元件其他信息能量运动

图1 微机电系统的理想理论模型

相对于其他机械系统，MEMS 可以大致归纳出以下一些特点：

⑴ 器件微型化、集成化、尺寸可达亚微米数量级

在一个几平方毫米乃至更小的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理的集成、功能集成甚至完成整个微型计算机的集成，并可大批量、廉价地生产。具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高，响应时间短等优点[4]。

⑵ 功能多样化、智能化

由于硅具有光电效应、压阻效应、PN 结特性和“Hell”特性等，可用于制备各种光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器。将不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器集成微传感阵列，结合不同功能的微执行器可形成复杂的微系统[4]。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的微电子机械系统。

⑶能耗低、灵敏度高、工作效率高

微机电系统所消耗的能量远远小于传统的机电系统，却能以10倍以上的速度完成同样的工作，并且不存在信号延迟等问题，可以高速工作[4]。

⑷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、化学和生物等多学科，采用了广泛的物理、化学和生物原理，并集约当今科学发展的许多尖端成果。

2 MEMS 的起源及发展现状

随着硅材料微制造技术的迅速发展，早在20世纪70年代末斯坦福大学就开发出硅微加工的气象色谱仪，随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。20世纪80年代初，Middelhoek 著文预示微系统的出现和发展前景，对微系统的研究起着重要的推动作用。美国在1987年举行IEEE Micro-robots and Tele-operators 研讨会，首次提出了微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System ，