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标  题: 微电子机械系统的进展与应用前景（转载）
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年01月12日08:35:44 星期一), 站内信件

王长河信息产业部电子第十三研究所（石家庄050051）
1前言
　　微电子机械系统（MicroElectronMechanicalSystem—MEMS）是在微电子技术基础
上发展起来的一门新兴技术。它涉及到微电子学、光学、声学、磁管、气动力学、流体
力学与自动控制等多个学科。MEMS是通过半导体微细加工技术及微机械加工技术在硅等
半导体基板上制作的一种微型电子机械装置。微机械可以分为几个等级：特征尺寸在1m
m～10mm的为小型机械，1μm～1mm的为微型机构，1nm～1μm的为纳米机械。当前，MEM
S正向多功能化方向发展，即集微型机械、微型传感器、微型执行器、信号处理与控制电
路、接口、电源和通信等单元于一体，成为一个完整的机械电子系统。
　　早在60年代，美国就开始微电子机械的研究，到80年代初，微型硅加速度计、微型
硅陀螺仪及微型硅静电马达相继问世。1995年，微电子机械市场的规模达到15亿美元，
预计2005年仅硅传感器的市场规模可望达到40亿美元。
　　当前，世界各个大国对MEMS给予极高的重视：美国国防高级研究计划局（ARPA）等
机构每年投资2000万美元，德国每年投资7000万美元、日本通户省（NITI）拟订一个十
年内投资2亿美元的MEMS研究计划。
　　在我国，信息产业部电子第十三所、清华大学、东南大学、复旦大学、北京理工大
学等单位也都投入相当大的力量研究微电子机械技术。
2微型传感器
　　微型传感器的作用是采集外部的物理信息,如压力传感器、加速度传感器、红外传感
器、气体传感器、流量传感器、离子传感器、辐射传感器、化学传感器、谐振传感器等
。1977年，美国Stanford大学在硅片上首次制成微型加速计，其尺寸为0.1mm×0.1mm。
1989年，Draper实验室首次制成框架式角扰动微型硅陀螺仪，其内框上有惯性质量，外
框架在交变静电力的驱动下绕枢轴振动，该硅陀螺仪的长度仅有0.6mm，能承受80g的环
境应力。1994年，Draper与Rochwell合作研制出音叉式线振动硅陀螺仪，它采用梳状的
音叉来产生大幅度的振动，可有效提高陀螺仪的灵敏度，该陀螺仪的标度因素为40mV/r
ad/s，线性度为0.2％，带宽为60Hz，零偏定性为100°/h。最近，国外又研制出一种压
力成象器的微系统，它含有1024个微型压力传感器，每个压力膜尺寸为50μm×50μm，
其信息处理单元采用CMOS电路，可提供信号放大，零点校正等功能。
　　在我国，中科院电子学研究所于2000年利用微电子机械加工技术研制出电势激励、
压阻拾振的高精度硅谐振梁式压力传感器，其谐振品质因素Q>17000，压力测试范围为0
～400kPa,线性相关系数为0.99995,测试精度<006％FS。
作于2000年研制出非制冷高灵敏度硅微机械隧穿红外探测器，其分辨率为10－4nm/，静
电偏转电压为30V。该红外探测器无需制冷，具有功耗低、体积小、成本低等特点，它弥
补了一般热探测器和光子探测器的不足。信息产业部电子第十三研究所利用硅封闭腔体
内气体的热对流效应于2000年研制出微机械热对流加速度计，其灵敏度为0.1V/g，分辨
率为1mg,量程>75g，工作带宽为50Hz，进行频率补偿后带宽可达1kHz。正在研制两轴微
机械热对流加速度计，由于热对流加速度计无需检验质量块，故耐冲击力大，结构简单
，制作工艺与IC工艺兼容，易于批量生产。
3微型执行器
　　微型执行器的基本原理是把其它形式的能量通过相关物理效应转化成机械能，从而
达到驱动目的，例如：静电致动、热致动、压电致动、电磁致动器采用上述的物理效应
可设计出微型电机、微型发动机、微型泵、微型阀、微型热打印头等微型执行器。微型
执行器的基础材料有单晶硅、多晶硅、氮化硅、压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合
金材料等。单晶硅具有良好的机械性能，其屈服强度比不锈钢高1倍，有比不锈钢更高的
弹性模量，而且硅的比重只有钢的三分之一。利用硅材料有利于把执行器的控制电路以
集成电路形式制作在硅片上，使执行器进一步小型化。
　　微型电机是执行器中研究最多的装置。1989年，作者访问美国加利福尼亚大学柏克
莱分校时就看到该校刚研制出的硅微型静电马达，其转速为500转/分。当年麻省理工学
院又研制出转速更高的硅静电马达，其转速达到1500转/分。在4英寸硅片上可制作1千多
个马达。之后，美国又研制出摇摆式马达，其转速达到3500转/分，可连续运转9个月。
采用可变电容效应制作的微型马达，其轴承间隙仅有0.3μm，厚度不到5μm。
　　微型发动机通常由二个与旋转齿轮连接的梳形驱动器构成，通过向梳形执行器施加
相位相差90度的正弦驱动力，就可使齿轮转动，这种微型机构齿轮可达到20万转/分，并
可长时间工作。
　　我国清华大学精密仪器与机械学系对热致动方式进行较为深入的研究，利用硅微细
加工工艺已研制出许多种微型热致动器，并进行了理论分析和实验测试。表1给出几种微
型致动器性能的比较。
表1不同致动器性能比较致动类型  压力  行程（位移）  响应时间  可靠性
热致动  大  一般  一般  好
静电致动  小  很小  很快  很好
压电致动  大  小  快  好
电磁致动  小  大  快  好
双金属致动  大  一般  一般  好
　　热致动原理是依靠对薄膜进行非均匀加热，产生内应力，导致薄膜弯曲变形，它具
有驱动电压低、驱动力大、变形大、结构简单、尺寸小、易于集成制造等特点。
　　北京理工大学在微结构研究中提出了五点设计原则：（1）柔韧性设计原则；（2）
强度设计原则；（3）同向性设计原则；（4）灵敏性设计原则；（5）弹性线性设计原则
。该校还对硅微结构的动力模型进行了详细分析，包括硅微结构梁的弯曲、硅微结构灵
敏度、硅微结构的动力模型、硅微结构的阻尼、硅微结构动态灵敏度。
4信息MEMS
　　信息技术的发展迫切需要研究把信息获取、信息处理和执行器等功能集成在一起的
微型系统，即光、机、电一体化的集成系统，通常称它为信息微系统，或称为微光机电
系统（MOEMS）。信息微系统的研究范围包括用MEMS和MOEMS技术制作射频器件和光学器
件，以实现信息系统的微型化。信息微系统涉及的器件主要有两种类型：其一是无线通
信和光通信中的RFMEMS开关，MEMS电容、电感、传输线、RF滤波器、RFMEMS振荡器，ME
MS移相器，微波收发机MEMS集成化射频前端，光开关和开关阵列，光可变衰减器，光功
率限幅器，光无源互连耦合器等等；其二是硬盘读写头，喷墨打印头，DMD等等。
　　MEMS和MOEMS在信息技术中的应用将会推动信息技术的加速发展，从而推动相关行业
（制造业、航天航空、医疗、金融、教育、武器系统）的迅速发展。
　　下面仅举二个实例说明信息MEMS的发展情况。
41微波微电子机械装置
　　以MEMS为基础的射频技术是近几年发展起
来的新技术。MEMS工艺与单片微波集成工艺（MMIC）可以兼容，因此MEMS微波器件近来
发展迅速。MEMS微波开关、MEMS滤波器等MEMS微波器件具有高性能、低成本特点，其发
展前途极为乐观。近来，美国Hughes实验室研制的MEMS微波开关的开关频率达到（1～4
0）GHz，插入损耗仅为(0.1～0.25)dB。美国东北大学研制的MEMS开关，其断开阻抗达1
012ohm,开关次数达109次。MEMS微波开关通常采用两种形式：悬梁式与桥式。表2给出M
EMS微波开关与其它半导体微波开关性能的比较。从表2可以看出，MEMS微波开关的接触
电阻最小，断开电容也最小，切断频率下的Q值最高。
表2几种微波开关器件性能的比较器件类型  接触电阻/Rc/Ω  断开电容/CoH/fF  切断
频率下的Q值
MEMS微波开关  0.4  35  >900
GaAsMESFET开关  2.3  249  280
GaAsPHEMT开关  4.7  80  420
GaAsPIN开关  5.6  420  730
信息产业部电子第十三研究所、第五十五研究所和清华大学都在研究微波微电子机械开
关。五十五所去年研制的宽带微波MEMS开关的工作频带为DC～20GHz，插入损耗<0.69dB
,在18GHz～20GHz内隔离度大于16dB，驱动电压为20V～30V,单只开关尺寸为0.48mm×0.
50mm。
42MEMS光开关及其阵列
　　MEMS光开关是微机械技术在光学领域的一个新应用领域。
　　（1）MARS调制器（机械减反射开关）
　　它具有数据调制、可变衰减器、光斩波器的功能，可用于光网络单元、放大增益均
衡器、WDM信息监控器等。
　　（2）掩膜开关
　　它具有光开关、光触动开关等功能，可应用于光分插复用器、功率限幅器、自动功
率控制器等。
　　（3）微镜
　　它具有开关阵列、可变衰减器功能，可应用于光分插复用器、光交叉连接、光数据
存贮等。
　　一般机械式光开关的缺点是开关速度低、体积大、不易集成。电子式光开关的缺点
是串音高、消光比低。而MEMS光开关具有开关时间短、串音极低、体积小、成本低、损
耗低等特点。此外，该开关的偏振损耗及波长关系均可忽略，其制作工艺可和IC工艺兼
容，易于集成。
　　MEMS光开关被认为是下一代光通信网络的重要产品。2000年美国光开关的研制经费
为234亿美元。我国信息产业部电子第十三研究所、清华大学及北京大学等单位都正在
开展这方面的研究工作。
5MEMS微细加工技术
　　MEMS的制作工艺主要采用常规的集成电路制作工艺和微机械加工的特殊制作工艺。
这些工艺主要包括5个部分。
51本体微机械加工技术
　　主要是选择性去除硅衬低，形成微机械元件，它包括硅湿法腐蚀、干法腐蚀、自停
止腐蚀等。
52表面微机械加工技术
　　主要是采用牺牲层腐蚀技术。通常是将两层薄膜中的下一层薄膜用特殊方法腐蚀掉
，使微机械结构或器件完全制作在基片表面。
53晶片键合技术
　　主要包括硅玻璃键合、硅硅键合二种技术。晶片键合技术可形成复杂的三维微
机械结构。
54微铸模技术
　　该工艺的第一步是采用LIGA技术在硅晶片表面形成高深宽比的结构，其宽度可窄到
（1～2）μm，垂直深度可达（20～100）μm；第二步工艺是电镀，即把电镀液中的金属
离子淀积到铸模中爆光区内的晶片表面上。
55MEMS集成技术
　　主要包括IC＋MEMS集成，MEMS＋IC集成＋混合集成。其中IC＋MEMS集成表示先进行
标准集成电路加工，然后再进行微机械加工。混合集成是把MEMS制作在一个硅基片上，
而把CMOS、ASIC等电路制作在另一个芯片上，而后用引线键合或厚膜互连把这二个硅基
片连接起来成为一个功能整体。
6MEMS的应用前景
61MEMS在空间科学中的应用
　　当前，按重量分类，微小型卫星可分4类：
100kg～1000kg为小型卫星；10kg～100kg为微型卫星；1kg～10kg为纳（米）卫星；0.1
kg～1kg为皮（米）卫星。微卫星、纳卫星和皮卫星，由于要求体积小、重量轻、成本低
，所以要求星内的电子系统和机械元器件都要微型化。因此，必须采用新型微电子器件
及MEMS、MOEMS等微型器件。若干纳卫星和皮卫星可组成卫星星座，编队飞行，完成导航
、侦察、监视、通信等任务。也可以执行反导和星际作战任务。“九五”期间，我国信
息产业部电子第十三研究所与清华大学合作开展了固态微型卫星的研究工作，并已取得
实质性的结果。
　　1999年，瑞典发射了两颗纳卫星，其重量均为5kg，有效载荷为1.2kg，总功耗为6W
，设计寿命2年。
62MEMS在信息领域的应用
　　MEMS既可把传感器、执行器和数字电路集成在一个半导体芯片上，也可以把传感器
、执行器和电路分别制造，再混合集成为一体。美国Rockwell研究中心、Hughes实验室
、日本NEC研究中心都已研制出MEMS开关组合部件。HP公司用于移动通信的微波MEMS于1
996年问世。MEMS与光器件融合为一体的微型光机电系统将促进信息技术和光通信技术的
飞速发展。
63MEMS在军事的上应用
　　美国采用MEMS技术已制成尺寸只有10cm×10cm的微型侦察机。这种飞机进一步改进
后可以深入敌方阵地收集情报，拍摄战场实况，甚至可以通过遥控使飞机飞进敌方指挥
部，去干扰和破坏敌首脑机关的自动指挥系统。MEMS传感器还可探测化学战场上的有毒
气体。用无人驾驶飞机可以把成千上万的微型MEMS散布到天空，组成战场传感网络，通
过远距离指令，可有效收集敌方目标、方位、特征等信息。
64MEMS在医学上的应用
　　由MEMS组成的微型手术刀可用于精细手术，可切除视网膜上的伤疤组织。由MEMS组
成的注入式微型医疗器械可进入血管之中，刮除导致心脏病的油脂沉积物，也可除去人
体动脉里的胆固醇，甚至可探测并清除人体内的癌细胞。
　　2001年3月，美国研制出一种微型“生物发动机”，它是一种混合式纳米MEMS，其能
源是人体细胞本身的能量，即三磷酸腺苷酸。该微型机器的桨叶长度为0.75μm，直径为
015μm。这种微型机器有望用来装备纳米电脑或用于注入血管中疏通被堵塞的血管。
可把该机器作成纳米直升飞机。试验表明，把它浸没在三磷酸腺苷酸的溶液中，该直升
飞机可连续工作两个小时。
　　MEMS在现代农业、工业、交通、环保等方面还有广泛应用空间，此处不多枚举。
7结语
　　（1）MEMS是一门基于多学科的新兴技术，其主要特征是尺寸小、重量轻、成本低、
智能化、易形成规模生产。
　　（2）MEMS将引起机械工程的重大变革，也将带来信息技术的新突破。
　　（3）MEMS在国防、工业、农业、交通、医疗卫生、通信、环保等多领域具有广泛的
应用前景。
　　（4）各国对MEMS研究给予极大重视，已在人力、物力、资金等方面积极扶植，努力
实现产业化。

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               一念不起为坐，见本性不乱为禅;

               外不著相，内不乱为定

               外禅内定，故名禅定，即时豁然，还得本心…….

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