微電子機械系統[微型機電裝置]

微電子機械系統（Micro-Electro-Mechanical-Systems, MEMS）是指大小在毫米量級以下，構成單元尺寸在微米、納米量級的可控制的可運動的微型機電裝置，是集成微機構、微感測器、微執行器以及信號處理控制等功能於一體的系統。 各國對微電子機械系統有不同的稱呼，在美國，用Micro-Electro-Mechanical-Systems（縮寫為MEMS）表示，譯為微電子機械系統或微機電系統。在歐洲，用Microsystem Technology（縮寫為MST）表示，譯為微機械技術。在日本，用Micromachine表示，譯為微機械。

百科名片

微電子系統是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的21世紀前沿技術，使之對微米/納米材料進行設計、加工、製造和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統、數字處理系統集成為一個整體單元的微型系統。

這種微電子機械系統不但能夠採集、處理與傳送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部指令採取行動。它用微電子技術和微加工技術（包括矽體微加工、矽表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術）相結合的製造工藝，製造出各種性能優異、價格低廉、微型化的感測器、執行器、驅動器和微系統。

微電子機械系統（MEMS）是近年來發展起來的一種新型多學科交叉的技術，該技術將對未來人類生活產生革命性的影響，它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等學科。

微電子機械系統已經被用於汽車氣囊的加速計。它們以較低的成本替換了可靠性低一些的設備，並且承諾能夠根據減速的感覺而且能夠根據所保護人的體積大小來充氣。基本上，一個微電子機械系統設備包含了一塊小矽片晶片上的微電路，一些機械設備像鏡像和感測器被植入其中。潛在的，這種晶片能夠以低成本大量製造，成本效益好。

現在可以使用或者正在研究的微電子機械系統是：

•能夠被包含在快信包裹中以用來連續追蹤和感覺到在途中處理的包裹的全球定位系統感測器。

•植入機翼機構中的感測器，這樣機翼能夠感覺氣流並對其作出反應，改變機翼表面阻力；有效的創造出許多微小的副翼。

•光學開關設備，能夠以億分之二秒的開關速度在不同路徑開關光信號。

•感測器驅動的製冷制熱系統，能極大地改善節能效果

•嵌入式感測器的建築支持，可以改變基於大氣壓力感應的材料的適應性

•Saffo區分了感測受動器型微機（他稱為“MEMS”）和包含齒輪、鏡像、電子管和其它部分的微型設備（他稱為“微型機械”）。

發展歷程

有關微機械系統的歷史，最早可以追溯到1959年12月，美國物理學家諾貝爾獎獲得者R.P.Feynman在美國加州理工學院舉行的美國物理協會年度會議上的科普演講中，首次提出了MEMS概念。

事實上，在Feynman演講之前科學家們已經成功地研製出指甲蓋兒大小的電機，然而Feynman認為，這些研究成果在小型化的道路上還很原始、粗糙，尚處於技術初期階段。他的結論是，”在這以後還有更加令人震驚的微小世界“，他構想可以將24卷《大英百科全書》寫在針尖上，要做到這件事只需要將尺寸縮小到1/25000即可。歷史證明了Feynman的卓遠見識，納米科技、MEMS及量子計算和分子自組裝等領域向人們展示了微小世界的巨大潛力。

1987年研製出的微型馬達的原理來自於該演講的思想，因此人們普遍認為MEMS研究的時間起點為1959年。

1962年，微小器件的先驅——第一個矽微壓力感測器問世，它的特徵是用矽膜、壓敏電阻和體矽腐蝕。它是MEMS微感測器的起始點，同時也是MEMS體加工（bulk micromachining）的起始點。

1967年，美國西屋研究實驗室Nathanson等人報導了矽諧振柵電晶體。它的特徵是用靜電激勵起柵振動，它是MEMS執行器的起始點。

1968年，美國Mallory公司Wallis等人報導了矽玻璃靜電鍵合技術，該技術成為後來微感測器封裝的主要技術之一。

1978年，美國IBM的Bassous等人報導了矽微噴嘴。它是MEMS微結構的起點。

1979~1985年，以集成感測器為主要對象的MEMS領域第一次成為熱點。各種新型MEMS加工技術接連出現。

1987~1988年間，一系列關於微機械和微動力學的技術會議召開，MEMS一詞在這些會議中被廣泛採納並逐漸成為一個世界性的學術用語。目前MEMS研究開發主要集中在微感測器、微執行器和微系統三個方面。

特點

MEMS是受積體電路工藝的啟發發展起來的，它具有積體電路的系統的許多優點，同時又集成了多種學科的尖端成果。MEMS具有以下特點：

(1)微型化：MEMS器件小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、回響時間短；

（2）以矽為主要材料，機械電氣性能優良：矽材料的強度、硬度和楊氏模量與鐵相當，密度類似鋁，熱傳導率接近鉬和鎢；

（3）可批量生產：用矽微加工工藝在一片矽片上可以同時製造成百上千個微機械部件或完整的MEMS，批量生產可以大大降低生產成本；

（4）集成化：可以把不同功能、不同敏感方向的多個感測器或執行器集成於一體，形成微感測器陣列或微執行器陣列，甚至可以把多種器件集成在一起形成更為複雜的微系統。微感測器、微執行器和IC集成在一起可以製造出高可靠性和高穩定性的MEMS；

(5)多學科交叉：MEMS的製造涉及電子、機械、材料、信息與自動控制、物理、化學、生物等多種學科，同時MEMS也為上述學科的進一步研究和發展提供了有力的工具。