MEMS发展应用现状

　　0　引　言

　　通常,微机电系统(MEMS)是指微型化的器件或器件组合,把电子功能与机械、光学或者其他功能相结合的综合集成系统。MEMS技术具有小尺寸(miniaturization)、多样化(multiplicity)、微电子(micro electronics),它将信息系统的微型化、多功能化、智能化和可靠性水平提高到了新的高度。MEMS与一般的机械系统相比,不仅体积缩小,而且,在力学原理和运动学原理,材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化,同时,它又属于多学科交叉的新领域,是融合微电子与精密机械加工的技术;是集微型机构、传感器信号处理、控制等功能于一体的,具有信息获取、处理和执行等多功能的系统[1]。

　　1　惯性MEM S器件产品

　　惯性MEMS器件主要包括微加速度计和微型陀螺。惯性MEMS器件产品几年前已上市,现在,年销售额为3. 7~5. 8亿美元,每年还在大幅激增[2]。惯性MEMS器件对国民经济和军事装备起到越来越大的作用。商用微加速度计运动部件有很轻的质量,可达1mg,因而,是灵敏度很高的加速度计,可以测量千分之几的重力加速度[3]。

　　微加速度计商业化最重要的驱动力来自汽车工业,最成功的是美国模拟器件公司的ADXL05和ADXL50系列单片集成差动电容式加速度计,现月产量达到200万只。美国摩托罗拉公司批量生产汽车用MMAS40G电容式加速度计,选择双芯片设计制作技术,封装为双列直插式或单列直插式塑封,加速度测量范围为±40gn。美国EG&G IC传感器公司建立了MEMS加工生产线,先后开发成功3255,3000系列压阻式加速度计, 3255型主要用于汽车安全系统,敏感芯片与信号处理芯片封装在表面贴装的外壳内[4]。德国博世、日本电装公司也有类似产品。微加速度计正替代以往的机电式加速度传感器,并伴随着汽车安全气囊系统日趋普及而高速增长。

　　近几年来,MEMS器件正在加速向具有信号处理功能的微传感器芯片,以及能够完成独立功能的“片上系统”(微系统)方向发展。近年来,国外一些著名厂商将MEMS技术推广应用到光电领域,研制成功微型光电子系统,进一步拓展MEMS技术的应用领域。Agere公司日前新推出业界首款三维手持MEMS系统[5],该系统由微镜像章动开关和驱动器芯片等一系列器件构成,集光、电、微机械和微封装技术于一体,其优势是能够简化交换设备和交叉连接等光纤联网系统的设计和制造,大大加快全光网技术和设备的发展步伐。TI公司为高清晰度显示设备而研制的数字光处理器件(DLP)也属于一种MEMS系统[6],这款产品的核心是一种数字微镜器件(DMD)光半导体芯片。由于DLP技术不断实现的商业化,该技术的应用也越来越广泛,目前,全球已经有将近40家著名的TV和放映设备厂商开始采用DLP子系统。LG公司也在韩国电子展览会上展示了一款采用DLP子系统的52英寸彩电(1英寸=2. 54 cm)。美国也在日前推出一款集成了振动传感器和控制电路的MEMS芯片,这款新产品采用先进的半导体工艺制造,适用于家电、汽车安全气囊和游戏机等产品。在游戏机中,MEMS芯片组成的器件可以取代游戏机中的操作杆或者按键,用户只需改变这种器件的位置,即可随心所欲地控制整个游戏过程,获得更佳的享受。微传感器最热门的趋势之一是“片上系统”构想,也就是说要制成微系统,而不仅仅是微传感器,这种研究工作大多是在许多大学里进行的,例如:位于俄亥俄州克利夫兰市的CaseWestern Reserve大学,在研究开发集成MEMS流体处理系统方面,包括应用于分析仪器中的新型微阀门和微量泵等方面,已取得一些研究成果[7]。美国加州的斯坦福大学,在研究开发MEMS技术和器件方面成绩斐然[8]。该校与位于帕萨迪纳市的加州理工学院协作,研究开发脑细胞组织探针,并已证实MEMS器件具有再生某些神经细胞组织能力。另外,作为片上微仪器研究开发的重点内容之一,斯坦福大学证实,MEMS技术可以用于光刻工艺中。光刻的片上MEMS仪器可能已经不是遥远的事了,斯坦福大学与位于加州米尔皮塔斯市的Lu-casNova-Sensor公司联手,一直在研究开发新微机械加工技术—深度活性离子刻蚀(DRIE)。这种技术将可能实现对硅作深度达200μm,并接近理想状态的垂直墙、窄沟道及孔的刻蚀,而且,可以保持高精度和较大的纵横尺寸比。这项技术成果将促进MEMS技术在生物医学领域的进一步应用。