广泛应用并高速发展的MEMS技术

黄泽寅 李张帆 胡志洪

MEMS传感器种类繁多，发展迅猛，应用广泛。该文介绍了MEMS传感器的概念及特点，并对MEMS的具体应用进行了简要阐述。从部分新的MEMS技术在军事及航空航天方面简述了对未来应用的展望。MEMS技术正处于高速发展，潜在市场巨大。

1 MEMS的概念及特点

微机电系统是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS基本上是指尺寸在几厘米以下乃至更小的小型装置，是一个独立的智能系统，主要由传感器、作动器（执行器）和微能源三大部分组成。微机电系统的出现和发展是科学创新思维的结果，是微观尺度制造技术的演进与革命。MEMS是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。

MEMS具有以下特点：

微型化：MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

以硅为主要材料，机械电器性能优良：硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近钼和钨。

批量生产：用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置和完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

集成化：可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体，或形成微传感器阵列、微执行器阵列，甚至把多种功能的器件集成在一起，形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

多学科交叉：MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科，并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

2 MEMS的具体应用

随着汽车传感器的迅速发展和对MEMS技术研究的深入，基于MEMS技术的汽车传感器的应用已经越来越广泛，主要应用方面为压力传感器，微加速计，微机械陀螺。汽车电子控制系统是MEMS压力传感器的主要应用领域之一，可用于测量进气歧管压、大气压、油压、轮胎气压等。微加速度计的应用则伴随着汽车安全气囊系统日趋普及而高速增长，渐渐替代以往的机电式加速度传感器。微机械陀螺是一种振动式角速率传感器，主要应用于汽车导航的GPS信号补偿和汽车底盘控制系统，应用潜力极大。

MEMS传感器在手持设备中也已经有了比较广泛的应用，尤其是在智能手机广泛普及的情况下。其中最简单的例子是在手机中判断实际是垂直还是水平放置，继而确定屏幕图片的显示方向，当然其应用远不至于此。利用MEMS传感器，手机用户可以通过手指敲击、晃动或者其他三维运动动作来执行特定的指令，替代传统的按键操作，如接听电话、关机、浏览照片等等、使得手机控制更加便捷，更人性化。

MEMS凭借其体积小、重量轻、可靠性高、功耗低、易于数字化和智能化等一系列优点，在航空、航天、航海、生物医学和环境监控等领域也有不少的应用。

3 MEMS新技术发展应用

军事。MEMS技术在满足导航、导弹制导性能要求的条件下，追求减少导弹系统尺寸、重量和成本。MEMS现已广泛应用于GPS，由PC-IFOGs发展成的IOGs是MOEMS芯片式系统，它将借用通信技术制造高精度、尺寸小、成本低的惯性导航和制导传感器，满足未来军备的需要。先进的MEMS加速计的探测加速度技术是提高导航、导弹制导性能的基础。

MEMS加速计用2种方法探测加速度：一、在加速条件下，摆动或挠曲式支撑的检测质量块产生位移，用电容变化或压电量变化读出其位移。二、用检测质量块负载变化引起拉力变化使振动元件频率变化，前者称摆式或位移加速计后者称共振加速计或振动梁加速计（VBAs）。摆式加速计可满足战术级到飞行器导航级多种应用要求；共振加速计可以达到更高性能级应用的要求。

MEMS Z轴位移加速计：Z轴在垂直仪器平面加速旋转时，横跨玻璃基片的转矩弹簧挠曲支撑摆动悬挂的检测质量块。用绝缘片上的电极通过电容间隙变化探测运动。MEMS横向位移加速计是指测量与Z軸垂直平面上二维方向加速度使检测质量块产生的位移。通过横跨“梳指”式结构电容量的变化测量检测质量块的位移。Z轴和横向加速计组成三轴（x，y，z）加速计时最佳的加速计系统，用3个平面芯片可实现三轴加速度测量。

未来的导弹系统有3种：一、飞机、舰船、和潜艇载超音速远距离精确打击导弹；二无定向巡航无人机携带超音速导弹；三，无人机携带巡航导弹。这3种情况都要求系统重量轻，高精度制导，快速反应，近于实时打击。MEMS/MOEMS组成的惯性传感器，性能好于战术级，尺寸小，成本低，因此，在MEMS/MOEMS惯性传感器性能提高的背景下，预计导航、导弹制导性能技术也会有不小的进步。

航空航天。随着航天任务的多样化，航天器的轨道机动范围、轨道热环境及星载电子设备工作模式的复杂化，卫星入轨后，其热控系统可能受到恶劣空间环境及自身高热流密度部件散热等复杂或不确定因素影响，这就要求卫星热控系统能够根据当前的控制局势及变化趋势自主调整热控策略以保证卫星和星载仪器设备工作的可靠性。

电离辐射通过充电介质影响MEMS器件，导致其特性改变或静电操作设备故障。即使在受高剂量辐射的太空任务结束后，硅和金属的机械性能大多不变（杨氏模量和抗屈强度受影响不显著），硅作为结构材料本质上是耐辐射的。因此大多数MEMS器件被认为是耐辐射的。而备受关注的是驱动电路和控制电路，其需要屏蔽辐射或制作时选用抗辐射的元器件并考虑抗辐射设计。从MEMS器件的角度来看，在真空环境下工作，器件需要特殊的散热外壳，通常可以用交换气体来进行MEMS器件的气密性封装，以便对流散热，然后冷却外壳。除了太空特定工作环境下的辐射和真空之外，直接影响航天用MEMS器件可靠性的重要因素还有热冲击和振动及其封装。

MEMS器件将继续扩大其在航空航天领域的应用，如微型惯性导航系统中的微型陀螺仪、微加速度计和微型压力传感器；空间姿态测定系统中的微型传感器、磁强计和推进器；通信和雷达系统中的微镜、微可变电容器和微光机电器件；微型卫星中的微马达和微处理器等。可以预见在未来15年，MEMS将替代系统现有的器件，引起一场更轻、更小、性能更强的器件革命。

MEMS技术的潜在市场是非常巨大的，除了在汽车、手持设备等民用项目已经有了大量的应用，在军用市场以及航天市场也有了巨大的应用前景。如何将传感器设计原理实现依靠的是创新的理念和技术水平，而技术的进步与发展是通过基本而又深邃的理论和先进工艺的紧密结合来实现的，而基本的理论是通过对自然现象的观测和验证经过升华得出的。综上，研制未来的各种敏感器的动力依然是技术进步的要求，可见MEMS技术正处于高速发展，它的广泛应用和效益将会强有力地显示出来。

（作者单位：中国计量学院现代科技学院）