微機電系統

MEMS全稱Micro Electromechanical System，微機電系統。是指尺寸在幾毫米乃至更小的高科技裝置，其內部結構一般在微米甚至納米量級，是一個獨立的智能系統。主要由感測器、動作器（執行器）和微能源三大部分組成。微機電系統涉及物理學、半導體、光學、電子工程、化學、材料工程、機械工程、醫學、信息工程及生物工程等多種學科和工程技術，為智能系統、消費電子、可穿戴設備、智能家居、系統生物技術的合成生物學與微流控技術等領域開拓了廣闊的用途。常見的產品包括MEMS加速度計、MEMS麥克風、微馬達、微泵、微振子、MEMS壓力感測器、MEMS陀螺儀、MEMS濕度感測器等以及它們的集成產品。

MEMS是一個獨立的智能系統，可大批量生產，其系統尺寸在幾毫米乃至更小，其內部結構一般在微米甚至納米量級。例如，常見的MEMS產品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。

微機電系統在國民經濟和軍事系統方面將有著廣泛的應用前景。主要民用領域是電子、醫學、工業、汽車和航空航天系統。

概括起來，MEMS具有以下幾個基本特點，微型化、智能化、多功能、高集成度和適於大批量生產。MEMS技術的目標是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。 MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，幾乎涉及到自然及工程科學MEMS感測器，尺寸微小的所有領域，如電子技術、機械技術、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等。其研究內容一般可以歸納為以下三個基本方面： 1．理論基礎： 在當前MEMS所能達到的尺度下，宏觀世界基本的物理規律仍然起作用，但由於尺寸縮小帶來的影響（Scaling Effects），許多物理現象與宏觀世界有很大區別，因此許多原來的理論基礎都會發生變化，如力的尺寸效應、微結構的表面效應、微觀摩擦機理等，因此有必要對微動力學、微流體力學、微熱力學、微摩擦學、微光學和微結構學進行深入的研究。這一方面的研究雖然受到重視，但難度較大，往往需要多學科的學者進行基礎研究。2. 技術基礎研究：主要包括微機械設計、微機械材料、微細加工、微裝配與封裝、集成技術、微測量等技術基礎研究。3. 微機械在各學科領域的應用研究。

美國已研製成功用於汽車防撞和節油的微MEMS隱形眼鏡機電系統加速度表和感測器，可提高汽車的安全性，節油10%。僅此一項美國國防部系統每年就可節約幾十億美元的汽油費。微機電系統在航空航天系統的應用可大大節省費用，提高系統的靈活性，並將導致航空航天系統的變革。在軍事應用方面，美國國防部高級研究計劃局正在進行把微機電系統應用於個人導航用的小型慣性測量裝置、大容量數據存儲器件、小型分析儀器、醫用感測器、光纖網路開關、環境與安全監測用的分散式無人值守感測等方面的研究。該局已演示以微機電系統為基礎製造的加速度表，它能承受火炮發射時產生的近10.5個重力加速度的衝擊力，可以為非制導彈藥提供一種經濟的制導系統。設想中的微機電系統的軍事應用還有：化學戰劑報警器、敵我識別裝置、靈巧蒙皮、分散式戰場感測器網路等。

隨著時間的推移和技術的逐步發展，MEMS所包含的內容正在不斷增加，並變得更加豐富。世界著名信息技術期刊《IEEE論文集》在1998年的MEMS專輯中將MEMS的內容歸納為：集成感測器、微執行器和微系統。人們還把微機械、微結構、靈巧感測器和智能感測器歸入MEMS範疇。製作MEMS的技術包括微電子技術和微加工技術兩大部分。微電子技術的主要內容有：氧化層生長、光刻掩膜製作、光刻選擇摻雜(屏蔽擴散、離子注入)、薄膜(層)生長、連線製作等。微加工技術的主要內容有：硅表面微加工和硅體微加工(各向異性腐蝕、犧牲層)技術、晶片鍵合技術、製作高深寬比結構的LIGA技術等。利用微電子技術可製造集成電路和許多感測器。微加工技術很適合於製作某些壓力感測器、加速度感測器、微泵、微閥、微溝槽、微反應室、微執行器、微機械等，這就能充分發揮微電子技術的優勢，利用MEMS技術大批量、低成本地製造高可靠性的微小衛星。

MEMS技術是一個新興技術領域，主要屬於微米技術範疇。MEMS技術的發展已經歷了10多年時間，大都基於現有技術，用由大到小的技術途徑製作出來的，發展了一批新的集成器件，大大提高了器件的功能和效率，已顯示出了巨大的生命力。MEMS技術的發展有可能會像微電子一樣，對科學技術和人類生活產生革命性的影響，尤其對微小衛星的發展影響更加深遠，必將為大批量生產低成本高可靠性的微小衛星打開大門。

微機電系統是從微感測器發展而來的，已有幾次突破性的進展。

70年代微機械壓力感測器產品問世。

80年代末研製出硅靜電微馬達。

90年代噴墨列印頭，硬碟讀寫頭、硅加速度計和數字微鏡器件等相繼規模化生產。

充分展示了微系統技術及其在微系統的巨大應用前景。

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。MEMS系統與一般的機械系統相比，不僅體積縮小，而且在力學原理和運動學原理，材料特性、加工、測量和控制等方面都將發生變化。在MEMS系統中，所有的幾何變形是如此之小(分子級)，以至於結構內應力與應變之間的線性關係(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由於表面之間的分子相互作用力引起的，而不是由於載荷壓力引起。MEMS器件以硅為主要材料。硅的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當。密度類似於鋁，熱傳導率接近銅和鎢，因此MEMS器件機械電氣性能優良。

MEMS採用類似集成電路(IC)的生產工藝和加工過程，用硅微加工工藝在一矽片上可同時製造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。使MEMS有極高的自動化程度，批量生產可大大降低生產成本；而且地球表層硅的含量為2%。幾乎取之不盡，因此MEMS產品在經濟性方面更具競爭力。

MEMS可以把不同功能、不同敏感方向或制動方向的多個感測器或執行器集成於一體，或形成微感測器陣列和微執行器陣列。甚至把多種功能的器件集成在一起，形成複雜的微系統。微感測器、微執行器和微電子器件的集成可製造出高可靠性和穩定性的微型機電系統。

由於MEMS技術採用模塊設計，因此設備運營商在增加系統容量時只需要直接增加器件/系統數量，而不需要預先計算所需要的器件/系統數，這對於運營商是非常方便的。

MEMS涉及電子、機械、材料、製造、信息與自動控制、物理、化學和生物等多種學科。並集中了當今科學技術發展的許多尖端成果。通過微型化、集成化可以探索新原理、新功能的元件和系統，將開闢一個新技術領域。

感測MEMS技術是指用微電子微機械加工出來的、用敏感元件如電容、壓電、壓阻、熱電耦、諧振、隧道電流等來感受轉換電信號的器件和系統。它包括速度、壓力、濕度、加速度、氣體、磁、光、聲、生物、化學等各種感測器，按種類分主要有：面陣觸覺感測器、諧振力敏感感測器、微型加速度感測器、真空微電子感測器等。目前，感測器的發展方向是陣列化、集成化、智能化。由於感測器是人類探索自然界的觸角，是各種自動化裝置的神經元，且應用領域廣泛，未來將備受世界各國的重視。

生物MEMS技術是用MEMS技術製造的化學/生物微型分析和檢測晶元或儀器，有一種在襯底上製造出的微型驅動泵、微控制閥、通道網路、樣品處理器、混合池、計量、增擴器、反應器、分離器以及檢測器等元器件並集成為多功能晶元。可以實現樣品的進樣、稀釋、加試劑、混合、增擴、反應、分離、檢測和后處理等分析全過程。它把傳統的分析實驗室功能微縮在一個晶元上。生物MEMS系統具有微型化、集成化、智能化、成本低的特點。功能上有獲取信息量大、分析效率高、系統與外部連接少、實時通信、連續檢測的特點。國際上生物MEMS的研究已成為熱點，不久將為生物、化學分析系統帶來一場重大的革新。

隨著信息技術、光通信技術的迅猛發展，MEMS發展的又一領域是與光學相結合，即綜合微電子、微機械、光電子技術等基礎技術，開發新型光器件，稱為微光機電系統(MOEMS)。它能把各種MEMS結構件與微光學器件、光波導器件、半導體激光器件、光電檢測器件等完整地集成在一起。形成一種全新的功能系統。MOEMS具有體積小、成本低、可批量生產、可精確驅動和控制等特點。目前較成功的應用科學研究主要集中在兩個方面:

一是基於MOEMS的新型顯示、投影設備，主要研究如何通過反射面的物理運動來進行光的空間調製，典型代表為數字微鏡陣列晶元和光柵光閥：二是通信系統，主要研究通過微鏡的物理運動來控制光路發生預期的改變，較成功的有光開關調製器、光濾波器及復用器等光通信器件。MOEMS是綜合性和學科交叉性很強的高新技術，開展這個領域的科學技術研究，可以帶動大量的新概念的功能器件開發。

射頻MEMS技術傳統上分為固定的和可動的兩類。固定的MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動的MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容。按技術層面又分為由微機械開關、可變電容器和電感諧振器組成的基本器件層面；由移相器、濾波器和VCO等組成的組件層面；由單片接收機、變波束雷達、相控陣雷達天線組成的應用系統層面。

在噴墨印表機里作為壓電元件。

在汽車裡作為加速規來控制碰撞時安全氣囊防護系統的使用。

在汽車裡作為陀螺來測定汽車傾斜，控制動態穩定控制系統。

在輪胎里作為壓力感測器，在醫學上測量血壓。

數字微鏡晶元。

在計算機網路中充當光交換系統，這是一個與智能灰塵技術的融合。

設計微機電系統最重要的工具是有限元分析。

微機電系微機電系統技術統有多種原材料和製造技術，選擇條件是系統的應用、市場等等。

硅

硅是用來製造集成電路的主要原材料。由於在電子工業中已經有許多實用硅製造極小的結構的經驗，硅也是微機電系統非常常用的原材料。硅的物質特性也有一定的優點。單晶體的硅遵守胡克定律，幾乎沒有彈性滯后的現象，因此幾乎不耗能，其運動特性非常可靠。此外硅不易折斷，因此非常可靠，其使用周期可以達到上兆次。一般微機電系統的生產方式是在基質上堆積物質層，然後使用平板印刷和蝕刻的方法來讓它形成各種需要的結構。

表面微加工

表面微加工是在硅晶元上沉積多晶硅然後進行加工。

深層刻蝕

深層刻蝕如深層反應離子刻蝕技術向硅晶元內部刻蝕。刻蝕到晶元內部的一個犧牲層。這個犧牲層在刻蝕完成後被腐蝕掉，這樣本來埋在晶元內部的結構就可以自由運動了。

體型微加工

體型微加工與深層刻蝕類似，是另一種去除硅的方法。一般體型微加工使用鹼性溶液如氫氧化鉀來腐蝕平板印刷后留下來的硅。這些鹼溶液腐蝕時的相對各向異性非常強，沿一定的晶體方向的腐蝕速度比其它的高1000倍。這樣的過程往往是用來腐蝕v狀的溝。假如選擇的原材料的徑向足夠精確的話這樣的溝的邊可以非常平。

高分子材料

雖然電子工業對硅加工的經驗是非常豐富和寶貴的，並提供了很大的經濟性，但是純的硅依然是非常昂貴的。高分子材料非常便宜，而且其性能各種各樣。使用注射成形、壓花、立體光固化成形等技術也可以使用高分子材料製造微機電系統，這樣的系統尤其有利於微液體應用，比如可攜測血裝置等。

金屬

金屬也可以用來製造微機電系統。雖然比起硅來金屬缺乏其良好的機械特性，但是在金屬的適用範圍內它非常可靠。

技術基礎

MEMS的技術基礎可以分為以下幾個方面：

（1）設計與模擬技術；

（2）材料與加工技術

（3）封裝與裝配技術；

（4）測量與測試技術；

（5）集成與系統技術等。

應用研究

人們不僅要開發各種製造MEMS的技術，更重要的是如何將MEMS技術與航空航天、信息通信、生物化學、醫療、自動控制、消費電子以及兵器等應用領域相結合，製作出符合各領域要求的微感測器、微執行器、微結構等MEMS器件與系統。

微機電系統在生物醫學方面的一個應用----膠囊式內窺鏡系統。膠囊式內窺鏡系統在低功耗數模混合集成電路晶元解決方案、低功耗SOC系統設計、射頻無線啟動開關、醫學圖像處理以及高清數字視頻的研發等方面。

大方向有三類：RF MEMS;射頻，比如relay，switch，可變電容，諧振器……BIO-MEMS;生物，比如微全分析系統。POWER MEMS.微能量採集，比如微馬達。