第1章 微机电系统概论

1.1 微机电系统的基本概念和特点

1. 令人神往的话题

自古以来，人类就对微小的世界充满好奇。正如对天体、宇宙等宏大世界一样，是那么神秘莫测，那么充满诱惑！所以，人类幻想出各种各样的小人物在很多书中出现过。例如，我国的神话故事《西游记》，丹麦著名的安徒生童话《拇指姑娘》，德国格林童话《白雪公主》，日本的民间传说《一寸法师》，等等。这些故事向我们描述了想象中神奇的微小世界，表达了人类渴求借助这些“小人物”了解微小世界，完成人类难以完成的任务的美好愿望！

随着社会的发展和科技的进步，这些带有神话色彩的小人物逐渐带有了科技的色彩。比如，美国科幻电影《奇异的旅行》中描述了一个带有微型机器人的微潜水艇，在人体的血管中逆流而上，除去血栓，恢复患者健康的故事。故事中的微潜水艇就是个有动力源、传动机构、执行机构的被小机器人控制的微型机械系统，这向科研者们提出了挑战，期待他们能去实现这些幻想，为人类带来福音。

如今，这些神话故事和科幻故事都已逐渐渗透到我们的日常生活中，给人类的生活带来了不少便利和福音，像微创手术、汽车上的气囊保护系统、寻找地震后受害人的踪迹的微型摄像系统，等等。这些20世纪90年代初微型科技的一批研究成果预示着一场重大的科技革命的到来。就如美国国家自然科学基金会主席比门特（Bement）所预测的：微型机械“将成为新崛起的大规模产业，它将引起一场新的工业革命”。

2. 什么是微机电系统

何谓微机电系统（MEMS），它不是一项新技术。MEMS早在1959年就由著名的物理学家理查德·范曼（Richard Feynman）提出其概念，然而此后数十年间的发展并未受到过多关注，直到近年来才逐渐兴起的一门交叉学科。机械通常是由三部分组成的：原动部分，提供动力源；传动部分，负责把动力传给工作部分；工作部分，完成预期的动作或者预期的运动轨迹。而近代的机械还包括控制部分。那么理想的微机电系统理论上也应该包含如图1.1所示的几个部分。图1.1给出了典型的MEMS系统与外部对象相互作用的示意图，可见MEMS主要包括微型传感器、微型执行器以及相应的处理电路三部分。作为输入信号的各种信息首先通过微传感器转换成电信号，经过信号处理（模拟/数字）以后，再通过微执行器对外部世界发生作用。传感器可以把能量从一种形式转换成另一种形式，从而将现实世界的信号（如热、化学、运动等信号）转换成系统可以处理的信号（如电信号）。信号处理器则可以对信号进行转换、放大和计算等处理。执行器根据信号处理电路发出的指令来完成人们所需要的操作。

实际上目前世界上对微机电系统还没有统一的确切定义。美国、日本、欧洲由于各自发展微机电系统的途径和技术条件不一样，对应的微机电系统有不同的相关术语及其解释。

（1）Micro Electro Mechanical System（MEMS）美国北卡罗莱纳微电子中心（MCNC）定义

微机电系统是由电子和机械组成的集成化器件或系统，采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造，尺寸在微米到毫米之间。尤其是将计算、传感与执行融合为一体，从而改变了感知和控制自然界的方式。

（2）Micro System Technology（MST）欧洲NEXUS（The Network of Excellence in Multi⁃func⁃tional Microsystems）定义

微结构产品具有微米级结构，并具有微结构形状提供的技术功能。微系统由多个微元件组成，并作为一个完整的系统进行优化，以提供一种或多种特定功能，在许多场合包括微电子功能。

（3）Micro Machine日本微机械中心定义

微机械是由只有几毫米大小的功能元件组成，它能够执行复杂、细微的任务。

（4）Micro System国际电工委员会（ICE）定义

微系统是微米量级内的设计和制造技术。它集成了多种元件，并适于以低成本大批量生产。

这些术语及其解释虽然有一定的不同之处，但是有一点是相同的，即微机电系统是由关键尺寸在亚微米至亚毫米范围内的电子和机械元件组成的器件或系统，它将传感、处理与执行融为一体，以提供一种或多种特定功能。

微机电系统应通过尺寸和功能来定义，而不应限定于任何制造工艺，因为制造工艺技术是不断发展和完善的。微机电系统器件并不能完全用总尺寸来定义，而应用特征尺寸来表征。特征尺寸是决定器件性质和加工工艺的关键尺寸，如扩散硅压力传感器的膜厚。特征尺寸在亚毫米以上的机械电子系统基本上属于传统的机电一体化装置，而特征尺寸在亚微米之下的机械电子系统应属于纳机电系统（Nano Electromechanical System，NEMS）。

MEMS是受集成电路工艺的启发发展起来的，它具有集成电路系统的许多优点，同时又集约了多种学科发展的尖端成果。总结微机电系统技术的现状和发展，可以大致归纳出以下一些特点：

（1）器件微型化、集成化、尺寸可达亚微米数量级

在一个几平方毫米乃至更小的硅芯片上完成线与面的集成、信号处理单元的集成、功能集成甚至完成整个微型计算机的集成。从信号产生的功能，到执行信号和处理信号的功能都可以实现微型化和集成化，最终把微敏感元件、微处理器、微执行器和各种微机电系统都集成于一个小小的硅芯片上，并可大批量、廉价的生产。具有体积小、重量轻、能耗低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等优点。

（2）功能多样化、智能化

由于硅具有光电效应、压阻效应、PN结特性和“Hell”特性等，可用于制备光电传感器、微力学传感器、温度传感器和气敏传感器等。由于微细加工技术的进步，可以把硅基材料微型传感器和信号处理器件与转换电路做在一起，极大地提高了MEMS的信噪比，同时也大大提高了MEMS的灵敏度、测量精度和响应速度，并省略了复杂的接口技术，智能化程度大大加强。

（3）功能特殊性

由于MEMS的微型化、集成化、智能化程度大大加强，使得它在许多场合发挥特殊功能。如微米级智能化的静电式微电机，它可以进入人体的血管，对血管阻塞起清通作用，这样就可以治疗脑血管病、肝脏血管阻塞等相关疾病。

（4）能耗低、灵敏度高、工作效率高

微机电系统所消耗的能量远远小于传统的机电系统，却能以10倍以上的速度完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且微机电系统不存在信号延迟等问题，可以高速工作。

（5）多学科交叉

MEMS的制造涉及电子、机械、材料、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并采用了广泛的物理、化学和生物原理，如力、加速度、热、磁、电、浓度、活性等变量，通过光电、光导、压阻、压电、霍尔效应等变成电信号进行信号处理和控制，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

3. 微机电系统与普通机械的区别

微机电系统与普通机械在设计和制造方面主要有以下几个方面的区别。

（1）两者的设计和制作方法不同

一般的机械设计，需要根据产品要求，提出设计方案和装配图，然后分解，逐一设计每一个零件，并按照产品要求来确定每个零件的使用材料、加工工艺和零件精度。制作好的零件按照装配工艺组装调试直到整机完成。而对于微型机械，就不能沿用以上设计和工艺。原因很多：首先，机械零件微小，加工装配都很困难；其次，把那么小的零件一件件加工起来再组装成机械，可想而知成本会特别高，不利于批量生产，难以商品化；还有，提供能源和信息需要引线，常用的最细的引线也在零点几个毫米范围内，可与微机械本身尺寸相比拟，因此对于微机械，引线也是一个大问题。所以微机械的设计思想、加工工艺和装配都必须与普通机械不同。

（2）控制方法和工作方式不同

我们使用一般的机电一体化产品，一般都需要人直接参与操作，如人直接按动摄像机的开关，摄取经人选取的景物；而微机械的特点就是能在人或者人手指达不到的地方工作，如在核反应堆里，在肠胃里，在航天器上，人不能直接操纵它，只能用遥感或者使得微机械智能化进行自律。

另外，普通机械通过机械运动与外界联系，可输出一定功率。对于微机械，由于本身很小，所以输出功率也很小，而且强度也不够，所以一般要避免与外部环境直接进行耦合，而是往往通过电、磁、光、声等信号与外界联系。

（3）与环境的关系不同

一方面，微机械易受外界环境的影响。

普通机械都具有一定的体积，对外界环境的变化如温度、湿度、灰尘等远不如微机械那么敏感。如直径为100μm的微齿轮在转动时，一粒大小为10μm的灰尘就能将其卡死，而这在普通机械中则是不可想象的。

另外，微机械对外界空间要求极小。

普通机械由于有一定的体积和行程，工作时必须为它们留出相当的空间才行；而微机械由于体积微小，以至于几乎不需要事先为它准备活动空间。

（4）不可忽视的尺度效应

微机械由于尺寸的微小，会引起力的尺度效应。因为，当机械微小化到1μm以上、1mm以下这一尺度范围时，对于微型结构和系统，虽然仍能用宏观的物理知识进行分析。但是，尺寸微小化对材料的力学性能和系统的物理特性，都会产生很大影响。我们假设物体尺寸按比例缩小到原来的1/10时，那么物体所受与表面积有关的力（如黏性阻力）将缩小到原来的1/100，而与物体体积有关的重力或者惯性力就会缩小到原来的1/1000，从而使得与表面积有关的力变得更为突出，表面效应就非常明显。而一般的微机械要比普通机械的尺寸小两个甚至4～5个数量级，这将导致微机械与形状相似的普通机械的受力将有很大的不同。比如，前面提到过的微潜艇，由于尺度微小，其在血管中运动时受到的黏性阻力变得相当突出，螺旋桨产生的动力往往不能克服阻力而推动其运动。因此，一般在微管道中运动的微小机械，往往利用一些类似生物体鞭毛回转做动力。

另外，由于尺度微小，材料的力学性质，如强度、刚度、弹性等也会发生变化。如美国伯克利大学用多晶硅制作的20μm的螺旋弹簧的弹性要比普通硅片好得多，甚至比金属的弹簧都还要好，这是因为由于材料尺寸微小时，晶界、微裂纹等缺陷的影响也减少的缘故。

综上所述，微机电系统不是简单按比例缩小的普通机械的副本，这两者之间有着本质上的区别。