第1章　概論

1.1　微機電系統的定義

為了說明微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS），還是先從機電系統談起。現代汽車就是一個典型的機電系統，有幾百只傳感器、電子控制的點火裝置、進油和進氣量控制系統、制動系統、安全氣袋，甚至電子導航系統。由傳感器檢測出汽車的運行狀況，并以電信號的形式將信息傳送給電子控制電路，電子控制電路則根據這些信息作出判斷并發出控制命令，這些命令通過機械執行器實現對汽車運動狀態的控制。由此可知機電系統的基本組成部分是傳感器、電子控制電路（微處理器）和機械執行器。

當人們在微電子技術，尤其是超大型規模集成電路（Integrated Circuit，IC）技術基礎上發展出了微機械加工技術，如硅微加工、光刻電鑄模造（LIGA）技術和精密機械加工，并將用微機械加工技術制成的微執行器，與微電子器件甚至固態傳感器有機地集成于一體，則發展出了微機電系統。

微機電系統的概念始于20世紀80年代，一般泛指尺度在亞微米至亞毫米范圍的裝置，目前定義尚未統一。對應于微機電系統有不同的相關術語及其解釋。

①MEMS［Micro Elector Mechanical System，由美國北卡羅來納微電子中心提出（MCNC）］　微機電系統是由電子和機械組成的集成化器件或系統，其中采用與集成電路兼容的大批量處理工藝制造的，并且尺寸在微米到毫米之間。將計算、傳感與執行融合為一體，從而改變了感知和控制自然界的方式。

②Micro System Technology［由歐洲NEXUS提出（The Network of Excellence in Multifunc-tional Miccrosystems）］　微結構產品具有微米級結構，并具有微結構形狀提供的技術功能。微系統由多個微元件組成，并作為一個完整的系統進行優化，以提供一種或多種特定功能，在許多場合包括微電子功能。

③Micro Machine（由日本微機械中心提出）　微機械是由只有幾毫米大小的功能元件組成的，它能夠執行復雜、細微的任務。

④Micro System［由國際電工委員會提出（ICE）］　微系統是微米量級內的設計和制造技術。它集成了多種元件，并適于低成本大產批量生產。

這些術語及其解釋雖然有一定的不同處，但有一點是相同的，即微機電系統是由關鍵尺寸在亞微米至亞毫米范圍內的電子和機械元件組成的器件或系統，它將傳感、處理與執行融為一體，以提供一種或多種特定功能。

微機電系統通過尺寸和功能來定義，并不限定于任何制作工藝，通過工藝技術的不斷發展和完善，微機電系統的產品越來越多， 應用越來越廣泛。

微機電系統器件的微小尺寸不是指總尺寸，而指特征尺寸。特征尺寸是決定器件性質和加工工藝的關鍵尺寸，如擴散硅壓力傳感器的膜厚。如圖1-1所示，特征尺寸在亞毫米以上的機械電子系統基本上屬于傳統機電一體化裝置，傳統的機械加工技術已經能夠滿足要求。而特征尺寸在亞微米以下的機械電子系統，由于納米效應、量子效應的作用，其理論基礎與加工技術已經完全改變，應屬于納機電系統（Nano Electromechanical System，NEMS）。

由于微機電系統的基于微電子技術的背景，它具有一般集成電子器件的共同優點，如適于批量加工、可低成本大批量生產，還有微型化帶來的高速化、功耗低等優點，因此可以開拓出許多前所未有的應用領域。國內外一些有實力的半導體公司和研究機構，紛紛投入力量，開發和生產了不少有特色的產品，其應用已廣泛滲透到現代科技領域。

汽車內安裝的微傳感器已達幾十上百個，用于傳感氣囊，壓力、溫度、濕度、氣體等的狀況，以滿足汽車行駛中的多種控制需求。其中用于制導、衛星控制的微慣性傳感器及微型慣性測量組合在汽車中也能應用于自動駕駛、防撞氣囊、防抱死系統（ABS）、定速控制。

在生物醫學方面，特別是現代生物醫療領域，已通過微機電系統出色地解決了許多以前不能解決的問題。例如，增高體溫法治療癌癥是利用超聲波或無線電波的能量把身體某一部位加熱到43℃以殺死癌細胞。在治療時溫度不夠則效果不好，而溫度過高又會傷害周圍組織，但醫生很難判斷腫瘤部位是否達到了溫度。美國斯坦福大學研究所研制的微型溫度傳感器可注射到腫瘤中去，而且只在加熱時停留在那里。又如血管成形手術中，在動脈中推動一個小氣球，以此來清除動脈壁上的硬化瘢塊，注射或吞服將用微機械加工法制成的微型壓力傳感器放在氣球后面，醫生通過它可以知道瘢塊清除工作進行得怎么樣。通過微機械加工技術已經能制造出可以夾起一個紅細胞的微型鑷子。用微機械加工法制成的微型泵和閥，也可植入人體內，可用于微推進，如可按規定的劑量給出類似胰島素那樣的藥物，以滿足某種特殊疾病。

在信息領域中，計算機外設攝像頭、鼠標投影儀、噴墨打印機、高密度海量數據存儲器中廣泛應用了微機電系統技術。同時，作為信息產業的新方向，光通信正在向有光交換功能的全光通信網絡方向發展，而無線通信則要求增強功能（如聯網等）和減小功耗，包括美國朗訊公司在內的一些公司和大學正在研究全光通信網用的微系統及無線通信用射頻微系統。

軍事領域是微機系統技術的最早應用點，大量采用微米/納米和微系統器件改進武器性能，是發展新型高科技武器裝備的方向。如微型加速度計已成功用于武器系統以改進武器性能。

航空領域中，微機電系統技術用于改進飛機性能、保證飛機安全舒適、減少噪聲。而在航天方面則用于天際信息網、微重力測量。

能在硅片平面內做大范圍的旋轉與移動的新型微機械，標志著微機械加工技術已能解決諸如機器人運動關節等重要部件的制造。已用此技術制成的微型渦輪機、微型機械手，堪稱小巧玲瓏，令人嘆服，在生物醫療等當代尖端科技應用中有難以估量的作用。

以上是業已開發、生產的大批微機電產品中的幾個典型例子，清楚表明微機電系統確實是一個生機勃勃、潛力巨大的領域。