微机电系统技术

作者：清华大学 微米 / 纳米技术研究中心 周兆英 叶雄英 唐 飞 朱俊华 汤扬华 卜敏强 来源：《电子产品世界》 一、概述 微机电系统（micro electro-me-chanical systems，mems）是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。mems是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。图1是mems的模型框图。 mems的特点是： 1）微型化：mems器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。 2）以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。 3）批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的mems。批量生产可大大降低生产成本。 4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。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mems。 5）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、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 mems发展的目标在于，通过微型化、集成化来探索新原理、新功能的元件和系统，开辟一个新技术领域和产业。mems可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务，也可嵌入大尺寸系统中，把自动化、智能化和可靠性水平提高到一个新的水平。二十一世纪mems将逐步从实验室走向实用化，对工农业、信息、环境、生物工程、医疗、空间技术、国防和科学发展产生重大影响。 二、基础性研究 当尺寸缩小到一定范围时，许多物理现象将与宏观世界有很大差别，一些常规理论将作修正。目前，mems的研究主要还是依赖经验和反复试探，完整的微观尺度下的理论体系尚未建立，这已经严重地阻碍了mems技术的进一步发展。因此，微观尺度下的基础性理论研究显得尤为重要。 1.尺度效应和表面效应 尺度效应研究已有较长的时间。力的尺度效应和表面效应说明，在宏观领域作用微小的力和现象，在微观领域可能起着重要的作用。在微小尺寸领域，与特征尺寸l的高次方成比例的惯性力、电磁力（l3）等的作用相对减小，而与尺寸的低次方成比例的粘性力、弹性力（l2），表面张力（l1）、静电力（l0）等的作用相对增大；随着尺寸的减小，表面积（l2）与体积（l3）之比相对增大，表面力学、表面物理效应将起主导作用。尺度效应的研究将有助于mems的创新。 2.微流体力学 微流体现象与宏观规律有相当的差别，有的规律需要进行较大的补充和修正。例如：微细通道内流动是否还符合navier-stokes方程；微小装置中流体驱动机制可用表面张力和粘性力，其阻力特性也有所不同、微小装置中流体的相变点（饱和压力和温度）不再是常数，而随尺度减小而降低；微细管道固液界面的微观物理化学特性所产生的化学效应，如电泳、电渗，对微流体的力学行为有重要影响。 3.力学和热力学基础 微观领域中的力学和热力学问题的基础研究可分为两大类，一当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由程同一量级时，则介质连续性等宏观假定不再成立；另一类，虽然连续介质等宏观假定仍然成立，但由于物体尺度的微小化，各种作用力的相对重要性产生了逆转，从而导致了宏观规律的变化。 在微型光机电系统研究中主要需考虑的是第二类情况，其具体特点有：材料的失效模式，不仅与材料的本征关系有关，而且与材料的微结构有关；很大，从而传热效率很高；界面、表面特征更加显著。 须发展介于宏观与微观之间的研究方法，例如宏微观力学、宏微观热力学等。此外还应注意电磁、机械、力学和热学相结合的交叉学科研究方法。 4.微机械特性和微摩擦学 微结构材料机构特性中的弹性模量、波松比、疲劳极限、强度，以及内应力和内部缺陷的研究和数据库的建立引起了人们的重视，有些力学量需要重新作出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦行为及其控制研究、薄膜润滑与超滑技术研究、微观表面形貌与表面力学、表面物理效应研究、微磨损和微观表面改性研究。 5.微学学的基础理论 如：标量波设计理论、矢量波设计理论、近