MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

秦雷，謝曉瑛，李君龍

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

MEMS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢*

秦雷，謝曉瑛，李君龍

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

MEMS技術(shù)作為一門多學(xué)科高度交叉的前沿學(xué)科領(lǐng)域，在近些年來得到迅速發(fā)展，在航空、航天、生物技術(shù)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)可實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)低耗，大大提高系統(tǒng)的可靠性和智能化功能，已經(jīng)成為電子領(lǐng)域活躍的發(fā)展方向之一。論述了MEMS微系統(tǒng)技術(shù)的重要性，從微感知與微控制、微流動控制、微慣性測量裝置、微型飛行器、可穿戴和可植入式裝備、納機電諧振器、掃描隧道顯微鏡等七大方面分別論述MEMS微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，并對該技術(shù)進行了展望，以期對未來發(fā)展并應(yīng)用該技術(shù)具有借鑒意義。

微機電系統(tǒng)；微感知；微控制；微型飛行器；納機電系統(tǒng)；慣性測量裝置

0 引言

微系統(tǒng)[1-4]對國防科技的發(fā)展有著革命性的影響，是未來增強國防實力的重要支撐技術(shù)。隨著飛行器多功能化、微型化、結(jié)構(gòu)智能化以及無人機、微型飛行器的發(fā)展，未來航空機載設(shè)備和武器系統(tǒng)將更加依賴高集成度的封裝器件，并將廣泛采用可以執(zhí)行各種功能的微系統(tǒng)器件來改善其性能，實現(xiàn)輕量化、小型化、精確化。

微系統(tǒng)是指特征尺度在微米和納米2個鄰接微小領(lǐng)域，以集成電路加工工藝派生發(fā)展，融入微機械、微光學(xué)、微能源、微流動等各種技術(shù)，并采用先進封裝工藝，實現(xiàn)功能集成的綜合性前沿技術(shù)。美國國防部先進研究項目局(defense advanced research projects agency，DARPA)將微系統(tǒng)技術(shù)列為近10年來大力發(fā)展的現(xiàn)代前沿技術(shù)，并資助了大量微機電系統(tǒng)(micro- electro- mechanical system，MEMS)項目，大力發(fā)展小型慣性測量裝置、微全分析系統(tǒng)、RF傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器、無人值守傳感器等項目，應(yīng)用于導(dǎo)彈、單兵攜帶、戰(zhàn)場實時監(jiān)測、毒氣以及細菌檢測、武器安全、保險和引信、彈道修正、敵我識別系統(tǒng)等方面，在軍用設(shè)備中應(yīng)用日漸廣泛。

1 MEMS微系統(tǒng)技術(shù)重要性

1.1 MEMS微系統(tǒng)技術(shù)是未來實現(xiàn)導(dǎo)彈小型化的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前，在導(dǎo)彈內(nèi)部，電子器件占據(jù)了很大部分的空間和質(zhì)量，包括導(dǎo)引頭、慣性測量裝置、彈上計算機、指令應(yīng)答機等。這些功能模塊往往來自于不同的廠家，在導(dǎo)彈組裝時集成在一起。這些功能模塊內(nèi)部各自成一個系統(tǒng)，往往包含相同的組件，如電池等，從而帶來了導(dǎo)彈質(zhì)量的增加。另外，導(dǎo)彈中多個功能模塊之間相互獨立使得電路板和芯片封裝體的數(shù)量較多，占據(jù)了大量空間和質(zhì)量。

微系統(tǒng)技術(shù)中的系統(tǒng)級封裝(system in a package，SiP)技術(shù)是解決導(dǎo)彈功能模塊分立，降低電子器件體積和質(zhì)量的重要途徑。系統(tǒng)級封裝是將包括多塊功能芯片集成在一個封裝體內(nèi)，從而實現(xiàn)一個基本完整的功能的技術(shù)。通過SiP技術(shù)可以將當(dāng)前導(dǎo)彈中各功能模塊中采用的多塊芯片封裝在一個封裝體內(nèi)，從而提高封裝效率。此外，采用了功能集成后，原功能模塊內(nèi)部的相同組件可以縮減，例如電源可以采用彈上統(tǒng)一的電源供電，從而對減小體積和質(zhì)量具有重要意義。

片上系統(tǒng)(system on chip，SoC)是微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的另一重要方向，該技術(shù)將不同功能的電路設(shè)計和制造在一塊芯片上，芯片本身即能完成原本需要多塊芯片完成的功能。在未來導(dǎo)彈上，通過芯片處理功能的整合，縮減芯片的數(shù)目同樣能夠減小電子部件的體積和質(zhì)量。

另外，利用微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的微慣性測量裝置、原子鐘等部件本身即具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、抗振動、抗沖擊能力強和集成化程度高等優(yōu)點，對于實現(xiàn)導(dǎo)彈小型化發(fā)展具有重要意義。國外研制的部分微型慣性測量裝置已經(jīng)具有戰(zhàn)術(shù)級精度。例如，美國諾斯羅普·格魯曼公司制造的SiACTM加速度計，具有戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航2種級別的精度，已經(jīng)在“先進中程空空導(dǎo)彈”、“制導(dǎo)多管火箭系統(tǒng)”以及指揮直升機上得到應(yīng)用。

1.2 MEMS微系統(tǒng)技術(shù)是未來實現(xiàn)導(dǎo)彈性能提升的關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)彈的作戰(zhàn)空域和機動性能很大程度上取決于推進劑比沖和導(dǎo)彈攜帶燃料的質(zhì)量。在電子部件占據(jù)較大體積和質(zhì)量的情況下，導(dǎo)彈攜帶燃料的質(zhì)量被壓縮。通過微系統(tǒng)技術(shù)縮減電子部件質(zhì)量，為燃料存儲留出空間，可以很大程度拓展導(dǎo)彈的性能。另外，燃料的研制是一項長周期的研究任務(wù)，且其性能在地面驗證困難，相反，電子元器件性能在地面較容易驗證，因此通過微系統(tǒng)技術(shù)，壓縮電子部件質(zhì)量，是未來提升導(dǎo)彈性能的重要技術(shù)途徑。

此外，在當(dāng)前導(dǎo)彈內(nèi)部各模塊相互獨立的情況下，各部件之間采用總線實現(xiàn)信息交互，難免存在一定的延遲，對導(dǎo)彈的性能帶來了不利的影響。在實現(xiàn)功能整合，并采用系統(tǒng)級封裝或片上系統(tǒng)技術(shù)后，信息傳輸長度大大縮減，延遲將顯著降低。延遲降低對未來導(dǎo)彈對付高速高機動目標(biāo)具有重要的意義。

1.3 MEMS微系統(tǒng)技術(shù)是未來實現(xiàn)導(dǎo)彈智能化感知的關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)彈全壽命周期健康狀態(tài)監(jiān)測能夠為軍隊作戰(zhàn)和戰(zhàn)備提供大量的信息支持，同時也能夠為了解導(dǎo)彈在全壽命周期內(nèi)的性能變化提供數(shù)據(jù)，從而能夠促進設(shè)計改進，提升導(dǎo)彈性能提供參考。微系統(tǒng)技術(shù)能夠為此提供技術(shù)支撐。微系統(tǒng)是微納尺度元件，在微測量和微感知方向具有較大的優(yōu)勢。如在燃料箱內(nèi)部安裝微壓力傳感器可以了解該部件的狀態(tài)。在導(dǎo)彈的一些關(guān)鍵部位可以安裝微應(yīng)力傳感器，了解該部位的健康狀況。

微系統(tǒng)的另一個優(yōu)勢是其低功耗的特點，使其可以在較小的能量消耗情況下長時間運行，從而為長期監(jiān)測感知導(dǎo)彈健康信息提供了可能性。

總的來說，微系統(tǒng)技術(shù)[5]通過將多種先進技術(shù)高度融合，實現(xiàn)將傳統(tǒng)各自獨立的信息獲取、處理、命令執(zhí)行等系統(tǒng)融為一體，能夠促進導(dǎo)彈微小型化和智能化，對于加速導(dǎo)彈系統(tǒng)性能的全面提高，有效降低尺寸、重量與成本等具有革命性的影響。

2 MEMS微系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 微感知與微控制

微感知[6-11]主要是指利用微傳感器對環(huán)境或流體的壓力、速度、溫度等進行感知，微控制主要是指利用微致動器實現(xiàn)微噴射、微執(zhí)行等局部或微位移的控制任務(wù)。微傳感與微控制目前最主要的應(yīng)用是微流動控制和健康與使用狀態(tài)監(jiān)控，在飛機、直升機、無人機、發(fā)動機上都有案例，且得到了DARPA等機構(gòu)的廣泛支持。

2.2 微流動控制

微流體力學(xué)[12-17]是指特征尺度在1 μm～1 mm量級的流體流動，研究處理極小量流體的器件的原理、設(shè)計、制作和應(yīng)用的工程學(xué)科。這里，“微流體”可以有4種理解方式：“微”量流體的控制，例如微升、納升，甚至是皮升；“微”尺寸的流體處理器件，例如尺寸在毫米量級的微型給藥(劑量，dosage)系統(tǒng)；“微” 功耗，例如可以控制流速達到100 L/min的功耗在毫瓦的微閥；“微” 效應(yīng)，例如毛細力在液體的傳輸中的利用，以及小尺度下的迅速的熱交換在增加化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)量的利用。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，有能力制作微米尺度的結(jié)構(gòu)，特別在微全分析系統(tǒng)(micro total analysis systems,μTAS)和芯片實驗室(Lab on a chip)概念的提出以及生物技術(shù)的發(fā)展等需求牽引下，微流體控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前具備處理極小量(μl，nl乃至pl量級)流體技術(shù)，具有樣品需用量少、反應(yīng)時間短、功耗低、微型化、集成度高等優(yōu)點。未來，可以想見微流體(microfluidics)是MEMS中最重要、最活躍和最具市場潛力的分支之一，目前已經(jīng)商業(yè)化的MEMS產(chǎn)品中，微流體器件占了大多數(shù)，如噴墨打印頭和生物芯片等。

2.3 微慣性測量裝置

慣性測量裝置(inertial measurement unit，IMU)[18-22]一般由陀螺、加速度計和信號處理電路等組成，目前正在向單芯片上集成，提供位置、高度和速率數(shù)據(jù)。目前MEMS 加速度計的性能已經(jīng)接近軍用系統(tǒng)的要求，MEMS 器件巨大的成本優(yōu)勢、更小的尺寸與功率使它具有廣泛的使用潛力。DARPA 資助了多項MEMS IMU 的研究，比如BAE 系統(tǒng)公司開發(fā)的海軍增程制導(dǎo)彈藥上的MEMS IMU SiIMU02；空軍曾進行將MEMS IMU 集成進風(fēng)修正彈藥布散器的飛行驗證。法國泰雷茲(Thales)航電公司開發(fā)了雙差動石英諧振懸臂梁加速度計，用于法國賽峰集團的一款軍用IMU 中；泰雷茲還在開發(fā)硅微陀螺，使用大厚度絕緣體上硅和DRIE 工藝。

DARPA 和AFRL(美國空軍研究實驗室)共同資助美國CMU(卡耐基梅隆大學(xué))學(xué)院開發(fā)了CMOS- MEMS 工藝用于MEMS加速度計和陀螺的制造。該工藝能夠把傳感器和電路集成在單個芯片上，實現(xiàn)常規(guī)CMOS工藝和MEMS 微加工工藝的結(jié)合，MEMS 工藝可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝之前(前CMOS)、過程之中(中間CMOS)、之后(后CMOS)完成。CMU 學(xué)院開發(fā)了2種后CMOS 工藝，薄膜CMOS- MEMS 工藝和DRIE CMOS- MEMS 工藝，后者將薄膜CMOS- MEMS 工藝、德國Bosch 公司先進硅刻蝕工藝(屬于深硅刻蝕) 和背面刻蝕結(jié)合起來，能針對特殊的設(shè)計進行工藝優(yōu)化。

2.4 微型飛行器

微型飛行器(micro air vehicle，MAV)[23-30]是美歐最先開始研究的一種未來新概念飛行器，通過在微尺寸的飛行器中集成各種微任務(wù)載荷，或者利用功能結(jié)構(gòu)一體化等技術(shù)，使其具有比無人機更好的狹小地區(qū)隱秘偵察與監(jiān)視功能。MAV主要包括固定翼、旋翼、撲翼3種布局，可以做到只有幾厘米大小，且上面還要具備動力、能源、導(dǎo)航、傳感、通信等系統(tǒng)，這對制造和集成提出了很高的要求，利用MEMS 技術(shù)成為實現(xiàn)多功能微型化的首選。

2.5 可穿戴和可植入式設(shè)備

目前可穿戴式設(shè)備大量使用MEMS技術(shù)，主要在谷歌智能隱形眼鏡、可穿戴顯示、智能傳感T- Shirt、可穿戴織物、智能手環(huán)、脈搏傳感器智、可穿戴太陽能電池、智能尿布大量應(yīng)用。

可植入式器件是指埋置在生物體或人體內(nèi)的器件，主要用來觀察和測量生命體內(nèi)生理生化參數(shù)的長期變化，診斷、治療某些疾病，實現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下體內(nèi)的直接測量和控制功能，也可用來代替功能已喪失的器官。

可植入器件具有如下優(yōu)點：實時測量、控制生理狀態(tài)下的生理、生化參數(shù)；方便對器官、組織直接調(diào)控；治療傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)無法治愈的疾病等。美國Purdue大學(xué)腫瘤輔助治療氧氣發(fā)生器，針對糖尿病、青光眼等疾病發(fā)明了電化學(xué)微泵，2010年美國南加州大學(xué)的Ellis Meng小組提出了一種可植入電化學(xué)給藥。目前在壓力傳感器、人工耳蝸、眼壓測試系統(tǒng)、人工視網(wǎng)膜植入得到廣泛應(yīng)用。

2.6 納機電諧振器

諧振器在無線通信、高靈敏度生化傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用；與MEMS 諧振器相比，納機電系統(tǒng)(nano- electro- mechanical system,NEMS)諧振器利用了納米核心結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)使器件性能獲得了顯著提升，通過諧振結(jié)構(gòu)的等比例縮小，器件頻率顯著提高，甚至可以達到GHz；具有超高頻率、低能耗、高靈敏度等優(yōu)點。美國Connell大學(xué)在納機電諧振器方面有所突破，在碳納米管與底電極之間加載交流電，相互之間就會有周期性變化的靜電力作用，由碳納米管位置變化導(dǎo)致電容發(fā)生變化。

2.7 掃描隧道顯微鏡

被譽為“通往微觀世界的三扇門”之一的掃描隧道顯微鏡，是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器，它于1981年由格德及海因里希在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明，它具有比同類原子力顯微鏡更加高的分辨率，在低溫(4K)下可以利用探針尖端精確操縱原子。

3 結(jié)束語

目前微系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，帶動軍用及民用產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，助力相關(guān)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。目前微系統(tǒng)已經(jīng)逐漸從“三高”向“三微”方向轉(zhuǎn)變，即從高精度、高速度、高質(zhì)量向微型化、微細化、微納化方向發(fā)展，可以預(yù)想未來有兩大發(fā)展趨勢：

(1) 執(zhí)行器與傳感器功能集成和一體化：包含結(jié)構(gòu)集成、自感知執(zhí)行器2個層次，具有減小體積、降低重量、結(jié)構(gòu)緊湊、實現(xiàn)真正同位控制等優(yōu)點，實現(xiàn)在器件的致動過程中提取出獨立于任何執(zhí)行器控制信號的待檢測信號。

(2) 向物性型發(fā)展，新的功能材料和智能材料不斷發(fā)展：未來非鉛系列壓電陶瓷、納米壓電材料，以Cu- Al- Ni為代表的多種形狀記憶合金材料，超磁致伸縮材料，仿生-智能材料，以Si，Ge為代表的功能半導(dǎo)體材料將應(yīng)用于微系統(tǒng)，成為促進微系統(tǒng)向“三微”方向轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

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Development Status and Future Development Trend of MEMS Technology

QIN Lei，XIE Xiao- ying，LI Jun- long

(Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

As a multidisciplinary integration forward field, micro- electro- mechanical system(MEMS) technology has been rapidly developed in recent years. It has been widely used in many fields such as aviation, aerospace and biological technology. The technology can achieve high quality, high yield and low cost, has greatly improved the reliability of system and intelligent function and has become one of active development directions in the electronic field. The importance of MEMS technology is discussed. Seven aspects including micro perception and micro control, micro flow control, micro inertial measurement unit, micro air vehicle(MAV), wearable and implantable equipment, nano- electro- mechanical resonator, scanning tunneling microscope have been discussed to explore the development status of MEMS technology respectively. The future development trend of MEMS technology is given, which has certain reference significance to the future development and application of the technology.

micro- electro- mechanical system(MEMS)；micro perception；micro control；micro air vehicle(MAV)；nano- electro- mechanical system(NEMS)；inertial measurement unit(IMU)

2016-08-30；

2017-04-12 基金項目：有 作者簡介：秦雷(1987-)，男，吉林長春人。工程師，博士，主要研究方向為飛行器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.001

TJ765.1；TP271+.4

A

1009- 086X(2017)- 04- 0001- 05

編者按：“2016年先進導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)研討會”成功舉行。會議得到了國內(nèi)從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應(yīng)和大力支持，共征集到論文40余篇，經(jīng)過專家評審選出優(yōu)秀論文10余篇進行了會議交流。《現(xiàn)代防御技術(shù)》特開辟專欄陸續(xù)刊登此次會議的優(yōu)秀論文，供讀者參考。

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