微機電系統[1]

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老鷹

電梯直達

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發表于 2006-3-26 21:24:49 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

[微機電系統近年很熱，應用很多很尖端。找了幾篇文章，是簡介性質的，拋磚引玉，希望專業人士參加討論，希望初學者在選定自己專業方向的時候可以參考。]

一分錢硬幣大小、頭發絲粗細，這樣的描述語我們都很熟悉。但是，要說一分錢硬幣大小的飛機，頭發絲粗細的馬達，你可能就要瞠目結舌。微機電系統（簡稱為MEMS）就是這樣一些令人“匪夷所思”的微型智能化系統。

　　汽車工業廣泛使用微機電系統 9 x; f! g5 J) W% {$ L

　　“像人體要感知外界環境變化一樣，傳感器要敏感地測算物質世界的速度、壓力、溫度等信息。隨著微加工技術的發展，微機電系統應運而生。”說起自己的本行，MEMS重大專項總體組組長孫立寧侃侃而談。 $ I" j3 g6 |5 n% |2 g" c) ?

　　“目前，MEMS器件應用最成功、數量最大的產業當屬汽車工業。”對于它的應用，孫立寧告訴記者。 ( n% d4 |+ f& X4 t% @% Z

　　現代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動系統（ABS）、電噴控制、轉向控制和防盜器等系統都使用了大量的MEMS器件。為了防止汽車緊急剎車時發生方向失控和翻車事故，目前各汽車制造公司除了裝備ABS系統之外，又研制出電子穩定程序（ESP）系統與ABS系統配合使用。發生緊急剎車情況時，這一系統可以在幾微秒之內對每個車輪進行制動，以穩定車輛行車方向。 9 n6 R9 Y$ a; l0 S U/ ^

　　近年來，國際上MEMS的專利數正呈指數規律增長，MEMS技術全面“開花”，各式各樣的MEMS器件，已成功地應用于自動控制、信息、生化、醫療、環境監測、航空航天和國防軍事等領域。其中微型壓力傳感器、微加速度計、噴墨打印機的微噴嘴和數字微鏡顯示器件（DMD）已實現規模化生產，并創造了巨大的經濟效益。美國ADI公司的集成加速度計系列已經大量生產，占據了汽車安全氣囊的大部分市場，年銷售額約為2億美元；TI公司利用MEMS技術生產的DMD顯示設備，占有高清晰投影儀市場的大部分份額。 $ ^$ [7 a3 `4 s3 f

　　重大專項瞄準產業化 3 k; m6 Z2 }& a. U0 q9 H

　　我國MEMS的研究始于1990年代初，起步并不晚。經過10年的發展，我國已有數十家科研機構在進行MEMS的研究，初步形成了幾個MEMS研究力量比較集中的地區，并且研制出了微型加速度計和微陀螺等多種樣品和樣機。 1 i' j) @6 A: T; k8 Z( H

　　然而，令人遺憾的是，這些成果基本還處于實驗室階段，國內尚無一家批量生產MEMS產品的企業。與此同時，一些國外公司已開始在國內開展業務，進行與MEMS相關產品的合作生產，企圖占領國內市場。 * W! Z2 i! T0 j9 Y, M1 C5 K9 H4 x

　　“由于力量分散，再加上投入嚴重不足，在共性關鍵技術、研究實力和產業化等方面與發達國家相比有較大差距。”說到這里，MEMS重大專項總體組組長孫立寧話鋒一轉，“但是，由于MEMS產品的多樣性，并且是一種正在發展的高技術，所以美、日、歐等發達國家并不能壟斷MEMS市場，我們尚有很大的創新和發展空間。”“一旦放松，則會坐失良機。”孫立寧補充說。 4 I9 t# W& b$ I+ W# H

　　他告訴記者，研究國外MEMS的發展進程表明，政府行為在初期發展起到了主導作用。如1992年美國把“微米級和納米級制造”列為“在經濟繁榮和國防安全兩方面都至關重要的技術”。美國國家自然基金會（NSF）把微米/納米列為優先支持的領域。日本早在1991年開始啟動了2.5億美元的大型研究計劃———“微機械十年計劃”。這些國家微機電系統如火如荼的發展，離不開政府的大力支持。 4 G! S/ l) g% O3 J/ Y9 r1 M

　　在這樣的大背景下，2002年，國家863計劃適時啟動“微機電系統重大專項”，確定了MEMS重大專項的總體目標：針對國際MEMS發展趨勢和未來的產業化前景，結合我國社會經濟發展的需要和核心技術發展戰略，以支撐我國MEMS產業化發展的應用基礎和關鍵技術為切入點，重點研究MEMS器件、集成系統、先進制造與測試技術及應用，逐步建立我國的MEMS研發體系和產業化基地。圍繞醫療、環境、石化等行業，開發出若干小批量、多品種、高質量MEMS器件及微系統，推動MEMS可持續發展和未來產業化的形成。 ; T8 p# o- }4 u- y0 t

　　微機電系統化產品全面“開花” * P( O3 s; |# h+ Y6 c5 ]. w

　　去年9月，隨著一聲巨大的爆炸聲，基于MEMS的加速度傳感器工程樣機在山東泰安野外“一炮打響”。 / i+ u6 x k; x* }3 c0 A1 Q

　　在石油勘探中，傳統的檢波器頻率響應低，信號敏感度低，測油層時要像織漁網一樣布陣，每隔大約10米就要埋一個，通過炸藥爆炸產生地震波來檢測。就是這樣，勘測的精度并不高。 8 e0 s/ l! t0 i, Q* {+ A

　　如今，過去的所有工作只需一個硬幣大小的微加速度傳感器就輕松搞定。把微加速度傳感器放入一個盒子里，插入地表1米左右，測出來的數據準確無誤。目前，山東威海雙豐電子集團有限公司、上海微系統所、南京石油物探研究所等單位正在聯合攻關，攻克微加速度傳感器的設計、制造和應用等方面的難題，進行批量制造和產業化開發工作。 ! ^* m4 c4 d7 q* r) e! h& g/ R

　　“比如奧運會體育場館周邊的氣象情況，隨時隨地都知道。”孫立寧拿著一個手機大小的儀器說，局部氣象檢測全靠這個“小家伙”———便攜式氣象檢測微系統。 7 c2 G# @* p# I/ R( ?; E% _

　　別看它小，溫度、濕度、風速、風向、氣壓、能見度等氣象參數，一測便知，指標還高于傳統風向標的精度。對于野外、海上作業人員來說，絕對是個好幫手。“我們正準備把它集成到手機里，就變成了未來的智能手機。” & X9 e. I# v% U# n6 H9 ~

　　“其實，這些相關技術和器件幾年前就有了，但一直處于實驗室階段，重大專項推動了從概念和原理樣機到實用化的進程。”孫立寧說，通過專項確定的產業化目標的實施，帶動了MEMS從設計到加工的技術平臺建設，提高了我國MEMS的研究、開發與產業化的能力。 $ ~2 {. ~4 y4 w* `; ^

　　他解釋說，10年前，MEMS能做出來，就轟動一時；5年前，MEMS能動能轉，就很了不起，但只能演示和少量的使用，還不能完全實用化。而“十五”期間，MEMS不僅能用上，還能小批量生產。像MEM加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統、微型血液（生化）檢測微系統、氣象檢測微系統等MEMS器件和微系統基本達到實用化水平，開始進入產業化階段。 " b( l2 l9 D t. g

　　■我說863 7 G1 @4 p( x7 W" i6 _. u, T1 E

孫立寧（微機電系統重大專項總體組組長） ' v! y, |) \0 N0 {# j3 s

　　微機電系統(MEMS)重大專項的定位是重點研究MEMS器件、集成系統、先進制造與測試技術及應用。“十五”期間，專項的工作重點是打基礎，通過平臺建設，掌握MEMS設計、制造、測試、工藝、裝備與系統集成等方面的具有自主知識產權的關鍵技術，建立我國的MEMS研發體系和產業化基地，同時研究與開發具有創新性的器件與微系統。 0 L$ H6 z8 I. h# f3 A" _* c3 G

　　目前，專項已突破了若干關鍵技術，加工能力和成品率得到很大的提高，為國內的MEMS研發提供了良好的服務和平臺。圍繞醫療、環境、石化等行業，開發出若干小批量、多品種、高質量MEMS器件及微系統。若干MEMS器件和微系統達到實用化水平，開始進入產業化階段。MEMS加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統、微型血液（生化）檢測微系統、氣象檢測微系統等MEMS器件和微系統取得可喜的進展，基本達到實用化階段，并積極開展了多種方式的產業化工作。此外，在柔性傳感器陣列、微型燃料電池、致冷器、透皮藥物釋放微系統等方面取得創新研究成果，為MEMS的可持續發展奠定了基礎。 & k! F1 f- [8 {/ Q# s* r x% [0 a* g

　　針對國際微納技術發展趨勢和我國未來的產業化前景，“十一五”將繼續完善我國MEMS制造技術與研發體系，形成MEMS的自主開發與批量制造能力，部分MEMS器件與微系統實現產業化。圍繞環境監測、醫療與健康、公共安全快速檢測與預警等國家需要，研究開發有自主知識產權的微納系統設計與制造核心技術、系統集成技術、關鍵裝備和單元產品，提升我國微納系統自主設計和微納制造的核心競爭力，并在某些方面進入國際領先水平。 ; ~# K& R) W4 m: J

　　■鏈接 8 o S! D0 M- \# s4 q8 o

　　微機電系統（MicroElectro-MechanicalSystems，簡稱為MEMS），是融合了硅微加工、光刻鑄造成型（LIGA）和精密機械加工等多種微加工技術制作的微傳感器、微執行器和微系統。 4 K' t3 i. m& L. y

　　它是在微電子技術基礎上發展起來的，但又區別于微電子技術(IC)。在IC中，有一個基本單元，即晶體管。利用這個基本單元的組合并通過合適的連接，就可以形成功能齊全的IC產品；在MEMS中，不存在通用的MEMS單元，而且MEMS器件不僅工作在電能范疇，還工作在機械能范疇或其它能量范疇如磁、熱等。 : d4 J; E3 N) w# @7 Q& F+ A! q. u

　　1987年，美國UCBerkeley發明的微馬達，引起國際學術界的轟動。1993年，美國ADI公司采用該技術成功地將微型加速度計商品化，并大批量應用于汽車防撞氣囊，標志著微機電系統技術商品化的開端。1990年代，眾多發達國家先后投巨資并設立國家重大項目促進MEMS技術發展。此后，MEMS技術發展迅速，特別是深槽刻蝕技術出現后，圍繞該技術發展了多種新型加工工藝。一次性血壓計是最早的MEMS產品，目前國際上每年都有幾千萬只的用量。