[微機電系統(tǒng)近年很熱,應用很多很尖端。找了幾篇文章,是簡介性質(zhì)的,拋磚引玉,希望專業(yè)人士參加討論,希望初學者在選定自己專業(yè)方向的時候可以參考。]
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1 x" O0 ?7 E5 r0 B8 |2 {. B( ^" b$ c一分錢硬幣大小、頭發(fā)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(fā)絲粗細的馬達,你可能就要瞠目結(jié)舌。微機電系統(tǒng)(簡稱為MEMS)就是這樣一些令人“匪夷所思”的微型智能化系統(tǒng)。 9 t7 @( q5 N) ~4 ]
汽車工業(yè)廣泛使用微機電系統(tǒng) ! r0 a5 G" _/ M2 t5 M
“像人體要感知外界環(huán)境變化一樣,傳感器要敏感地測算物質(zhì)世界的速度、壓力、溫度等信息。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展,微機電系統(tǒng)應運而生?!闭f起自己的本行,MEMS重大專項總體組組長孫立寧侃侃而談。
* F* P6 l4 T! o! [+ c7 b “目前,MEMS器件應用最成功、數(shù)量最大的產(chǎn)業(yè)當屬汽車工業(yè)?!睂τ谒膽?,孫立寧告訴記者。
0 L/ O4 j2 B1 M! |3 `- U4 @# h 現(xiàn)代汽車采用的安全氣囊、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、電噴控制、轉(zhuǎn)向控制和防盜器等系統(tǒng)都使用了大量的MEMS器件。為了防止汽車緊急剎車時發(fā)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(tǒng)之外,又研制出電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng)與ABS系統(tǒng)配合使用。發(fā)生緊急剎車情況時,這一系統(tǒng)可以在幾微秒之內(nèi)對每個車輪進行制動,以穩(wěn)定車輛行車方向。 # T! c0 p& k) i' s, }! o
近年來,國際上MEMS的專利數(shù)正呈指數(shù)規(guī)律增長,MEMS技術(shù)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(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、航空航天和國防軍事等領(lǐng)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(shù)字微鏡顯示器件(DMD)已實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),并創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。美國ADI公司的集成加速度計系列已經(jīng)大量生產(chǎn),占據(jù)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(shù)生產(chǎn)的DMD顯示設備,占有高清晰投影儀市場的大部分份額。
& H1 I0 f, Q* o3 [ V; J 重大專項瞄準產(chǎn)業(yè)化
4 q1 R% [/ e1 F( a5 m; P; g 我國MEMS的研究始于1990年代初,起步并不晚。經(jīng)過10年的發(fā)展,我國已有數(shù)十家科研機構(gòu)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(qū),并且研制出了微型加速度計和微陀螺等多種樣品和樣機。 ) q" Q8 E% m' `/ Y
然而,令人遺憾的是,這些成果基本還處于實驗室階段,國內(nèi)尚無一家批量生產(chǎn)MEMS產(chǎn)品的企業(yè)。與此同時,一些國外公司已開始在國內(nèi)開展業(yè)務,進行與MEMS相關(guān)產(chǎn)品的合作生產(chǎn),企圖占領(lǐng)國內(nèi)市場。 : e! |! F- J( p( a+ L
“由于力量分散,再加上投入嚴重不足,在共性關(guān)鍵技術(shù)、研究實力和產(chǎn)業(yè)化等方面與發(fā)達國家相比有較大差距?!闭f到這里,MEMS重大專項總體組組長孫立寧話鋒一轉(zhuǎn),“但是,由于MEMS產(chǎn)品的多樣性,并且是一種正在發(fā)展的高技術(shù),所以美、日、歐等發(fā)達國家并不能壟斷MEMS市場,我們尚有很大的創(chuàng)新和發(fā)展空間。”“一旦放松,則會坐失良機?!睂O立寧補充說。 ) Z8 ~8 O2 D3 ^$ n& {# G4 ` H
他告訴記者,研究國外MEMS的發(fā)展進程表明,政府行為在初期發(fā)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(jīng)濟繁榮和國防安全兩方面都至關(guān)重要的技術(shù)”。美國國家自然基金會(NSF)把微米/納米列為優(yōu)先支持的領(lǐng)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(tǒng)如火如荼的發(fā)展,離不開政府的大力支持。
) x* n# r4 X1 w" P2 P 在這樣的大背景下,2002年,國家863計劃適時啟動“微機電系統(tǒng)重大專項”,確定了MEMS重大專項的總體目標:針對國際MEMS發(fā)展趨勢和未來的產(chǎn)業(yè)化前景,結(jié)合我國社會經(jīng)濟發(fā)展的需要和核心技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略,以支撐我國MEMS產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的應用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)為切入點,重點研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進制造與測試技術(shù)及應用,逐步建立我國的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地。圍繞醫(yī)療、環(huán)境、石化等行業(yè),開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng),推動MEMS可持續(xù)發(fā)展和未來產(chǎn)業(yè)化的形成。 ! r! R0 q4 M& x( }
微機電系統(tǒng)化產(chǎn)品全面“開花” * z0 [2 [+ A# ~+ b9 T; P
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”。
- @- N3 ~, F1 _0 m 在石油勘探中,傳統(tǒng)的檢波器頻率響應低,信號敏感度低,測油層時要像織漁網(wǎng)一樣布陣,每隔大約10米就要埋一個,通過炸藥爆炸產(chǎn)生地震波來檢測。就是這樣,勘測的精度并不高。
: x- K9 X" Q! ?% A+ |8 v6 S 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(shù)據(jù)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(tǒng)所、南京石油物探研究所等單位正在聯(lián)合攻關(guān),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(chǎn)業(yè)化開發(fā)工作。 5 W+ T, K& R/ p. \0 z6 f( W
“比如奧運會體育場館周邊的氣象情況,隨時隨地都知道?!睂O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(tǒng)。
^; \9 [; K' m- M( A3 h) m 別看它小,溫度、濕度、風速、風向、氣壓、能見度等氣象參數(shù),一測便知,指標還高于傳統(tǒng)風向標的精度。對于野外、海上作業(yè)人員來說,絕對是個好幫手?!拔覀冋郎蕚浒阉傻绞謾C里,就變成了未來的智能手機。” 8 H/ Z5 d* b$ v1 p; c1 V. F; o4 @
“其實,這些相關(guān)技術(shù)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?!睂O立寧說,通過專項確定的產(chǎn)業(yè)化目標的實施,帶動了MEMS從設計到加工的技術(shù)平臺建設,提高了我國MEMS的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的能力。 & y* l8 j N: o- x/ t8 R7 ]; i
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(zhuǎn),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(chǎn)。像MEM加速度傳感器、特種壓力傳感器、人體腔道診療微系統(tǒng)、微型血液(生化)檢測微系統(tǒng)、氣象檢測微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)基本達到實用化水平,開始進入產(chǎn)業(yè)化階段。 4 b6 w8 F4 c3 J! W. i/ \& z: B2 u5 G
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孫立寧(微機電系統(tǒng)重大專項總體組組長) , Y8 U& r/ D/ ?* ]/ _4 y6 A; U3 z
微機電系統(tǒng)(MEMS)重大專項的定位是重點研究MEMS器件、集成系統(tǒng)、先進制造與測試技術(shù)及應用?!笆濉逼陂g,專項的工作重點是打基礎(chǔ),通過平臺建設,掌握MEMS設計、制造、測試、工藝、裝備與系統(tǒng)集成等方面的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù),建立我國的MEMS研發(fā)體系和產(chǎn)業(yè)化基地,同時研究與開發(fā)具有創(chuàng)新性的器件與微系統(tǒng)。 , I7 V6 K# n( ]4 Z! n4 p: R
目前,專項已突破了若干關(guān)鍵技術(shù),加工能力和成品率得到很大的提高,為國內(nèi)的MEMS研發(fā)提供了良好的服務和平臺。圍繞醫(yī)療、環(huán)境、石化等行業(yè),開發(fā)出若干小批量、多品種、高質(zhì)量MEMS器件及微系統(tǒng)。若干MEMS器件和微系統(tǒng)達到實用化水平,開始進入產(chǎn)業(yè)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(tǒng)、微型血液(生化)檢測微系統(tǒng)、氣象檢測微系統(tǒng)等MEMS器件和微系統(tǒng)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(chǎn)業(yè)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(tǒng)等方面取得創(chuàng)新研究成果,為MEMS的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 * `4 ]5 q0 k0 L* Q
針對國際微納技術(shù)發(fā)展趨勢和我國未來的產(chǎn)業(yè)化前景,“十一五”將繼續(xù)完善我國MEMS制造技術(shù)與研發(fā)體系,形成MEMS的自主開發(fā)與批量制造能力,部分MEMS器件與微系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。圍繞環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療與健康、公共安全快速檢測與預警等國家需要,研究開發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的微納系統(tǒng)設計與制造核心技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、關(guān)鍵裝備和單元產(chǎn)品,提升我國微納系統(tǒng)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(lǐng)先水平。
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# b" z: M7 n4 Y' u# \2 o0 M3 ? 微機電系統(tǒng)(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(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器和微系統(tǒng)。
% e- C0 B! w$ D 它是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,但又區(qū)別于微電子技術(shù)(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(chǎn)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。
$ U# E) ]( i* v. [, Q n 1987年,美國UCBerkeley發(fā)明的微馬達,引起國際學術(shù)界的轟動。1993年,美國ADI公司采用該技術(shù)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(tǒng)技術(shù)商品化的開端。1990年代,眾多發(fā)達國家先后投巨資并設立國家重大項目促進MEMS技術(shù)發(fā)展。此后,MEMS技術(shù)發(fā)展迅速,特別是深槽刻蝕技術(shù)出現(xiàn)后,圍繞該技術(shù)發(fā)展了多種新型加工工藝。一次性血壓計是最早的MEMS產(chǎn)品,目前國際上每年都有幾千萬只的用量。 |