关于微机电系统研究

　　由于硅材料微制造技术的迅速发展,早在20世纪70年代末期斯坦福大学就开发出硅微加工的气相色谱仪[1],随后人们又提出了制造微传感器、微处理器的构想。80年代初,Middelhoek[2]著文预示微系统的出现和发展前景,他于1989年出版的专著,对微系统的研究起着重要的推动作用。美国在1987年举行的IEEE Micro Robotsand Teleoperators研讨会的主题报告标题为　　small machines, large opportunities,首次提出了微机电系统(micro-electromechanical system,MEMS)一词,开创微机电系统研究[3]。美国在该领域标志性的研究成就是加州大学伯克利分校用　　硅片刻蚀工艺开发出静电直线和旋转微电机,引起科技界极大轰动,对微机电系统研究产生很大的鼓舞。可以看出,美国有关微系统的研究是由微电子技术发展而来。

　　在欧洲,1989年在荷兰特文蒂(Twente)以Micro Mechanics的名称首次召开有关微系统的研讨会。1990年,在柏林召开的研讨会改称为MST(microsystem technology)。此后,多沿用此名称。欧洲在该领域的重要贡献是开发出扫描隧道显微镜和原子力显微镜以及LIGA工艺。

　　与其它国家相比,日本关于微系统的研究,在材料、制造技术和工业应用等方面都强调机械背景,对该领域的研究采用Micro Machine一词。并于1988年正式建立微机械研究组织[4]。

　　由此可见,在微系统研究发展初期阶段,人们对微系统的内涵的理解和强调的技术层面不相一致。发展至今,虽然在某些方面取得共识,仍然有必要就微系统的组成特征、应用前景、存在的主要关键技术和未来的发展等问题作进一步的分析。

　　1　基本特征

　　顾名思义,微机电系统具有两个基本特征,即微小尺度与系统集成。

　　微小尺度是微机电系统的重要特征,但并不是定量的特征。微观是相对宏观而言,只说明是微小的,而微小到什么尺度并不重要。事实上,现代的传统机械有的也已达到微米甚至纳米的特征尺寸,例如,当今精密轴承和齿轮传动的油膜厚度已经达到亚微米或纳米量级;又如一般光学显微镜以光波长为极限,而近场光学显微镜和原子力显微镜可达到纳米尺度,但都是商品化的精密仪器。

　　一般理解的微观是指肉眼难以分辨的尺度,以往认为是100μm,近年来也提出肉眼分辨可达到10μm。然而,对于微机电系统的定义并不是完全决定于特征尺寸小于10μm或100μm的定量概念。而对于微小尺度的理解应当作为一种技术特征,即微型化不仅是解决微观技术问题的有效途径,而且通过微型化能够创造出具有新功能的装置。换句话说,微型化的程度决定于在实现低成本的前提下有可能创造出来具有新功能器件的特征尺寸。大体上说,微系统是微米量级的特征尺寸、毫米量级的器件尺寸。