MEMS对信息技术发展的影响与前景

王鸿雁

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

MEMS对信息技术发展的影响与前景

王鸿雁

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

美国生物学家贝塔朗非创立的系统论是信息技术发展的基础之一.系统论思想也已深入自然科学、社会科学的各个领域.目前信息技术一体化已成为必然的发展趋势，本文从信息技术发展的系统性要求出发，阐述了MEMS在信息技术一体化中的作用和在未来发展中的重要性.

MEMS;系统论；信息技术

M E M S是英文M i c r oE l e c t r oM e c h a n i c a ls y s t e m s的缩写，即微电子机械系统.微电子机械系统(M E M S)技术是建立在微米/纳米技术（m i c r o/n a n o t e c h n o l o g y）基础上的2 1世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术.完整的M E M S是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统.其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平.它用微电子技术和微加工技术(包括硅体微加工、硅表面微加工、L I G A和晶片键合等技术)相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统.

M E M S技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用M E M S技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景.M E M S技术正发展成为一个巨大的产业，就象近2 0年来微电子产业和计算机产业给人类带来的巨大变化一样，M E M S也正在孕育一场深刻的技术变革并对人类社会产生新一轮的影响.目前M E M S市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等.大多数工业观察家预测，未来5年M E M S器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增加率约为1 8%，因此对对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战.

M E M S是系统论思想在信息技术中最集中的体现和运用.系统一词，来源于古希腊语，是由部分构成整体的意思.今天人们从各种角度上研究系统，对系统下的定义不下几十种.通常把系统定义为：由若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体.系统论是研究系统的一般模式，结构和规律的学问，它研究各种系统的共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于一切系统的原理、原则和数学模型，是具有逻辑和数学性质的一门新兴的科学.

系统思想源远流长，但作为一门科学的系统论，人们公认是美籍奥地利人、理论生物学家贝塔朗非（L.V o n.B e r t al a n f f y）创立的.他在1 9 5 2年发表“抗体系统论”，提出了系统论的思想.1 9 3 7年提出了一般系统论原理，奠定了这门科学的理论基础.但是他的论文《关于一般系统论》，到1 9 4 5年才公开发表，他的理论到1 9 4 8年在美国再次讲授“一般系统论”时，才得到学术界的重视.确立这门科学学术地位的是1 9 6 8年贝塔朗菲发表的专著：《一般系统理论基础、发展和应用》(《G e n e r a l S y s t e m T h e o r y;F o u n d a t i o n s,D e v e l o p ment,A pp l i c a t i o n s》）,该书被公认为是这门学科的代表作.

系统论认为，整体性、关联性，等级结构性、动态平衡性、时序性等是所有系统的共同的基本特征.这些，既是系统所具有的基本思想观点，而且它也是系统方法的基本原则，表现了系统论不仅是反映客观规律的科学理论，具有科学方法论的含义，这正是系统论这门科学的特点.

系统论的核心思想是系统的整体观念.贝塔朗菲强调，任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的新质.他用亚里斯多德的“整体大于部分之和”的名言来说明系统的整体性，反对那种认为要素性能好，整体性能一定好，以局部说明整体的机械论的观点.同时认为，系统中各要素不是孤立地存在着，每个要素在系统中都处于一定的位置上，起着特定的作用.要素之间相互关联，构成了一个不可分割的整体.要素是整体中的要素，如果将要素从系统整体中割离出来，它将失去要素的作用.正象人手在人体中它是劳动的器官，一旦将手从人体中砍下来，那时它将不再是劳动的器官了一样.

系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性，并优化系统观点看问题，世界上任何事物都可以看成是一个系统，系统是普遍存在的.大至渺茫的宇宙，小至微观的原子，一粒种子、一群蜜蜂、一台机器、一个工厂、一个学会团体、……都是系统，整个世界就是系统的集合.系统论反映了现代科学发展的趋势，反映了现代社会化大生产的特点，反映了现代社会生活的复杂性，所以它的理论和方法能够得到广泛地应用.M E M S自身的特性使得它成为系统论思想的最集中体现，而M E M S的大行其道也是由信息技术发展的系统性要求所决定的.

M E M S是一种全新的必须同时考虑多种物理场混合作用的研发领域，相对于传统的机械，它们的尺寸更小，最大的不超过一个厘米，甚至仅仅为几个微米，其厚度就更加微小.采用以硅为主的材料，电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度与铝类似，热传导率接近钼和钨.采用与集成电路（I C）类似的生成技术，可大量利用I C生产中的成熟技术、工艺，进行大批量、低成本生产，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高.

完整的M E M S是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统.其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平.

沿着系统及产品小型化、智能化、集成化的发展方向，可以预见：M E M S会给人类社会带来另一次技术革命，它将对2 1世纪的科学技术、生产方式和人类生产质量产生深远影响，是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的一项关键技术.

制造商正在不断完善手持式装置，提供体积更小而功能更多的产品.但矛盾之处在于，随着技术的改进，价格往往也会出现飙升，所以这就导致一个问题：制造商不得不面对相互矛盾的要求——在让产品功能超群的同时降低其成本.

解决这一难题的方法之一是采用微机电系统，更流行的说法是M E M S，它使得制造商能将一件产品的所有功能集成到单个芯片上.M E M S对消费电子产品的终极影响不仅包括成本的降低、而且也包括在不牺牲性能的情况下实现尺寸和重量的减小.事实上，大多数消费类电子产品所用M E M S元件的性能比已经出现的同类技术大有提高.

手持式设备制造商正在逐渐意识到M E M S的价值以及这种技术所带来的好处——大批量、低成本、小尺寸，而且开始转向成功的M E M S公司，其所实现的成本削减幅度之大，将影响整个消费类电子世界，而不仅是高端装置.M E M S在整个2 0世纪9 0年代都由汽车工业主导；在过去几年中，由于i P h o n e和Wi i的出现，使全世界的工程师都看到运动传感器带来的创新，使M E M S在消费电子产业出现爆炸式的增长，成为改变终端产品用户体验以及实现产品差异化的核心要素.

国内M E M S芯片（D i e）供应商主要有：上海微系统所、沈阳仪表所、电子部1 3研究所、北京微电子所等，目前形成生产的主要是M E M S压力传感器芯片（D i e）.

M E M S第一轮商业化浪潮始于2 0世纪7 0年代末8 0年代初，当时用大型蚀刻硅片结构和背蚀刻膜片制作压力传感器.由于薄硅片振动膜在压力下变形，会影响其表面的压敏电阻走线，这种变化可以把压力转换成电信号.后来的电路则包括电容感应移动质量加速计，用于触发汽车安全气囊和定位陀螺仪.

第二轮商业化出现于2 0世纪9 0年代，主要围绕着P C和信息技术的兴起.T I公司根据静电驱动斜微镜阵列推出了投影仪，而热式喷墨打印头现在仍然大行其道.

第三轮商业化可以说出现于世纪之交，微光学器件通过全光开关及相关器件而成为光纤通讯的补充.尽管该市场现在萧条，但微光学器件从长期看来将是M E M S一个增长强劲的领域.

目前M E M S产业呈现的新趋势是产品应用的扩展，其开始向工业、医疗、测试仪器等新领域扩张.推动第四轮商业化的其它应用包括一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和神经元探针，以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的静态和移动器件.

在M E M S领域摩尔定律将不再适用，某个具备质量的物体是无法按照摩尔定律阐述的规律将体积缩小和提高集成度的.M E M S系统集成度的提高途径会与传统晶体管迥异，将主要通过空间的三维集成方式.

第一次工业革命将能量转变为机械运动，开创了机器的时代；第二次革命的标志是以晶体管为代表的半导体行业的兴起，实现了计算能力的提升；而第三次革命将由传感器件主导.M E M S的意义远远超过一个简单的微器件，因为如果你能将机械、计算和感知这三次技术革命的成果有机地整合到一起，你将获得真正的，甚至能与人类相匹敌的智能“生命体”.此外，M E M S最核心的部分是将器件、信号处理、算法等多方面整合起来的能力.

“我们目前处在一个机器感知的技术时代，M E M S传感器将普通的运动转化为用户交互式操作的一部分.M E M S的增长将突破某个领域的局限.其在汽车中大量应用之后又用于医疗领域；今天在消费产品和体育、保健等电子产品中显现了更大的潜力.M E M S今后将如何发展？我认为首先依赖于更多应用上的创新；第二是制造技术上的进步，即如何将产品性价比变得更高，如何使更多的软件和算法能集成到器件中来，并实现即插即用等功能.”

从目前来看，信息技术一体化的要求越来越迫切，可以预见在不远的将来高度一体化的信息设备将成为社会的重要基础设施之一.由此看来，M E M S的意义远远超过一个简单的微器件，M E M S最核心的部分是将器件、信号处理、算法等多方面整合起来的能力.只有通过M E M S，我们才有可能在最大程度上实现全球信息一体化的美好梦想.

〔1〕http://baike.baidu.com/view/37086.htm?fr=ala0_1_1.

〔2〕魏洪森.系统论.世界图书出版公司，2009.

〔3〕http://www.esmchina.com/TECHTERM/ART/MEMS.HTM.

〔4〕http://article.ednchina.com/Other/Intelligent_machines_MEMS_driven_third_revolution.

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1673-260X（2010）10-0039-02

内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJzc08157）