微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)

作者：清華大學(xué) 微米 / 納米技術(shù)研究中心 周兆英 葉雄英 唐 飛 朱俊華 湯揚華 卜敏強(qiáng) 來源：《電子產(chǎn)品世界》 一、概述 微機(jī)電系統(tǒng)（micro electro-me-chanical systems，mems）是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、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(dǎo)體集成電路微細(xì)加工技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)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(yīng)時間短。 2）以硅為主要材料，機(jī)械電器性能優(yōu)良：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)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(jī)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(fù)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(xué)科交叉：mems涉及電子、機(jī)械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。 mems發(fā)展的目標(biāo)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(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。mems可以完成大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)，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(jì)mems將逐步從實驗室走向?qū)嵱没?，對工農(nóng)業(yè)、信息、環(huán)境、生物工程、醫(yī)療、空間技術(shù)、國防和科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生重大影響。 二、基礎(chǔ)性研究 當(dāng)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(fù)試探，完整的微觀尺度下的理論體系尚未建立，這已經(jīng)嚴(yán)重地阻礙了mems技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，微觀尺度下的基礎(chǔ)性理論研究顯得尤為重要。 1.尺度效應(yīng)和表面效應(yīng) 尺度效應(yīng)研究已有較長的時間。力的尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)說明，在宏觀領(lǐng)域作用微小的力和現(xiàn)象，在微觀領(lǐng)域可能起著重要的作用。在微小尺寸領(lǐng)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(xué)、表面物理效應(yīng)將起主導(dǎo)作用。尺度效應(yīng)的研究將有助于mems的創(chuàng)新。 2.微流體力學(xué) 微流體現(xiàn)象與宏觀規(guī)律有相當(dāng)?shù)牟顒e，有的規(guī)律需要進(jìn)行較大的補(bǔ)充和修正。例如：微細(xì)通道內(nèi)流動是否還符合navier-stokes方程；微小裝置中流體驅(qū)動機(jī)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(xì)管道固液界面的微觀物理化學(xué)特性所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)，如電泳、電滲，對微流體的力學(xué)行為有重要影響。 3.力學(xué)和熱力學(xué)基礎(chǔ) 微觀領(lǐng)域中的力學(xué)和熱力學(xué)問題的基礎(chǔ)研究可分為兩大類，一當(dāng)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(zhuǎn)，從而導(dǎo)致了宏觀規(guī)律的變化。 在微型光機(jī)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(guān)系有關(guān)，而且與材料的微結(jié)構(gòu)有關(guān)；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(xué)、宏微觀熱力學(xué)等。此外還應(yīng)注意電磁、機(jī)械、力學(xué)和熱學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科研究方法。 4.微機(jī)械特性和微摩擦學(xué) 微結(jié)構(gòu)材料機(jī)構(gòu)特性中的彈性模量、波松比、疲勞極限、強(qiáng)度，以及內(nèi)應(yīng)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(xué)量需要重新作出科學(xué)的表述。微觀摩擦學(xué)包括納米摩擦行為及其控制研究、薄膜潤滑與超滑技術(shù)研究、微觀表面形貌與表面力學(xué)、表面物理效應(yīng)研究、微磨損和微觀表面改性研究。 5.微學(xué)學(xué)的基礎(chǔ)理論 如：標(biāo)量波設(shè)計理論、矢量波設(shè)計理論、近