微机电系统及其应用

　　1　微机电系统发展概况

　　微机电系统(Micro Electro Mechanical Sys-tems,简称MEMS)是通过微制造技术将机械单元、传感器、执行器件和电子元件整合到一片微基板上的系统装置.这种新兴的机电系统为传统机械科学的发展指明了一个重要的前进方向.

　　微机电系统的概念起源于1959年美国物理学家、诺贝尔奖获得者Richard P Feynman提出的微型机械的设想,其后1962年出现了第一个硅微压力传感器.1988年,世界上第一个硅微型静电电机诞生在美国加州大学伯克利分校,该电机直径仅为(60~120)μm[1],为世人瞩目,由此产生了世界微机电系统技术研究的一个阶段性标准.1989年,NSF(National Science Foundation)在研讨会的总结报告中提出了“微电子技术应用于电子、机械系统”.自此,MEMS成为一个新的学术用语[2].

　　美国的研究是在半导体集成电路工艺技术基础上扩展而来的,称之为MEMS.欧洲的研究从系统的角度,突出强调了系统的观点,即将多个微型传感器、执行器、信号处理和控制电路等部件集成为智能化的微型电子机械系统,称之为Microsystems.日本利用传统的精密机械加工的优势,利用大机器制造小机器,再利用小机器制造微机器,故称之为Mi-cromachine.

　　与此同时,我国的研究人员在科技部、国家自然基金委,教育部和总装备部的资助下,追踪国外的微型机械研究,积极开展MEMS的研究.现有的微电子设备和同步加速器为微系统提供了基本条件,微细驱动器和微型机器人的开发早已列入国家863高技术计划及攀登计划B中.已有近40个研究小组,取得了一些研究成果.广东工业大学与日本筑波大学合作,开展了生物和医用微型机器人的研究,已研制出一维、二维联动压电陶瓷驱动器,其位移范围为10μm×10μm;位移分辨率为0.01μm,精度为0.1μm,正在研制6自由度微型机器人;长春光学精密机器研究所研制出直径为3 mm的压电电机、电磁电机、微测试仪器和微操作系统.上海冶金研究所研制出了微电机、多晶硅梁结构、微泵与阀.上海交通大学研制出直径2 mm的电磁电机.南开大学开展了微型机器人控制技术的研究等.

　　2　微机电系统技术

　　微机电系统应用的技术主要来自于一系列微米级专用制造手段,而这些手段中的很大一部分来自于IC(Integrated Circuits)技术:微机电系统技术和IC技术一样都将系统结构整合在一片硅基板上,这些结构基本上都是利用薄膜技术沉积,而且大部分采用光刻成型.但是,由于微机电系统与一般IC工艺还有很大的不同,其显著的区别是微机电系统部件之间常常有相对移动,因此制备相对移动微部件的工艺是其工艺的重点和难点.微机电系统所应用的技术按工艺方法不同主要可以概括为:表面微硅技术、体微硅工艺和LIGA.