第1章　概论

1.1　微机电系统的定义

为了说明微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS），还是先从机电系统谈起。现代汽车就是一个典型的机电系统，有几百只传感器、电子控制的点火装置、进油和进气量控制系统、制动系统、安全气袋，甚至电子导航系统。由传感器检测出汽车的运行状况，并以电信号的形式将信息传送给电子控制电路，电子控制电路则根据这些信息作出判断并发出控制命令，这些命令通过机械执行器实现对汽车运动状态的控制。由此可知机电系统的基本组成部分是传感器、电子控制电路（微处理器）和机械执行器。

当人们在微电子技术，尤其是超大型规模集成电路（Integrated Circuit，IC）技术基础上发展出了微机械加工技术，如硅微加工、光刻电铸模造（LIGA）技术和精密机械加工，并将用微机械加工技术制成的微执行器，与微电子器件甚至固态传感器有机地集成于一体，则发展出了微机电系统。

微机电系统的概念始于20世纪80年代，一般泛指尺度在亚微米至亚毫米范围的装置，目前定义尚未统一。对应于微机电系统有不同的相关术语及其解释。

①MEMS［Micro Elector Mechanical System，由美国北卡罗来纳微电子中心提出（MCNC）］　微机电系统是由电子和机械组成的集成化器件或系统，其中采用与集成电路兼容的大批量处理工艺制造的，并且尺寸在微米到毫米之间。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。

②Micro System Technology［由欧洲NEXUS提出（The Network of Excellence in Multifunc-tional Miccrosystems）］　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。

③Micro Machine（由日本微机械中心提出）　微机械是由只有几毫米大小的功能元件组成的，它能够执行复杂、细微的任务。

④Micro System［由国际电工委员会提出（ICE）］　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，并适于低成本大产批量生产。

这些术语及其解释虽然有一定的不同处，但有一点是相同的，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。

微机电系统通过尺寸和功能来定义，并不限定于任何制作工艺，通过工艺技术的不断发展和完善，微机电系统的产品越来越多， 应用越来越广泛。

微机电系统器件的微小尺寸不是指总尺寸，而指特征尺寸。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。如图1-1所示，特征尺寸在亚毫米以上的机械电子系统基本上属于传统机电一体化装置，传统的机械加工技术已经能够满足要求。而特征尺寸在亚微米以下的机械电子系统，由于纳米效应、量子效应的作用，其理论基础与加工技术已经完全改变，应属于纳机电系统（Nano Electromechanical System，NEMS）。

图1-1　MEMS的尺度范围

由于微机电系统的基于微电子技术的背景，它具有一般集成电子器件的共同优点，如适于批量加工、可低成本大批量生产，还有微型化带来的高速化、功耗低等优点，因此可以开拓出许多前所未有的应用领域。国内外一些有实力的半导体公司和研究机构，纷纷投入力量，开发和生产了不少有特色的产品，其应用已广泛渗透到现代科技领域。

汽车内安装的微传感器已达几十上百个，用于传感气囊，压力、温度、湿度、气体等的状况，以满足汽车行驶中的多种控制需求。其中用于制导、卫星控制的微惯性传感器及微型惯性测量组合在汽车中也能应用于自动驾驶、防撞气囊、防抱死系统（ABS）、定速控制。

在生物医学方面，特别是现代生物医疗领域，已通过微机电系统出色地解决了许多以前不能解决的问题。例如，增高体温法治疗癌症是利用超声波或无线电波的能量把身体某一部位加热到43℃以杀死癌细胞。在治疗时温度不够则效果不好，而温度过高又会伤害周围组织，但医生很难判断肿瘤部位是否达到了温度。美国斯坦福大学研究所研制的微型温度传感器可注射到肿瘤中去，而且只在加热时停留在那里。又如血管成形手术中，在动脉中推动一个小气球，以此来清除动脉壁上的硬化瘢块，注射或吞服将用微机械加工法制成的微型压力传感器放在气球后面，医生通过它可以知道瘢块清除工作进行得怎么样。通过微机械加工技术已经能制造出可以夹起一个红细胞的微型镊子。用微机械加工法制成的微型泵和阀，也可植入人体内，可用于微推进，如可按规定的剂量给出类似胰岛素那样的药物，以满足某种特殊疾病。

在信息领域中，计算机外设摄像头、鼠标投影仪、喷墨打印机、高密度海量数据存储器中广泛应用了微机电系统技术。同时，作为信息产业的新方向，光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展，而无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗，包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统。

军事领域是微机系统技术的最早应用点，大量采用微米/纳米和微系统器件改进武器性能，是发展新型高科技武器装备的方向。如微型加速度计已成功用于武器系统以改进武器性能。

航空领域中，微机电系统技术用于改进飞机性能、保证飞机安全舒适、减少噪声。而在航天方面则用于天际信息网、微重力测量。

能在硅片平面内做大范围的旋转与移动的新型微机械，标志着微机械加工技术已能解决诸如机器人运动关节等重要部件的制造。已用此技术制成的微型涡轮机、微型机械手，堪称小巧玲珑，令人叹服，在生物医疗等当代尖端科技应用中有难以估量的作用。

以上是业已开发、生产的大批微机电产品中的几个典型例子，清楚表明微机电系统确实是一个生机勃勃、潜力巨大的领域。