MEMS技術開辟了一個全新的自然科學領域及全新的產業,它不僅可以降低機電系統的成本,而且還可以完成許多大尺寸機電系統無法完成的任務。

國外MEMS已形成產業化

在科學家們的大力推動下,MEMS微機電系統受到了美國、德國、日本等發達國家的重視,他們投入了大量的人力物力去推動該產業的發展,多年來取得了眾多新成果。

美國政府把航空航天、信息和MEMS作為科技發展的三大重點。美國國家科學基金會把MEMS作為一個新崛起的研究領域,制定了資助微機電系統的研究計劃。1994年發布的《美國國防部技術計劃》報告,把MEMS列為關鍵技術項目。從1998年開始,美國政府投資資助麻省理工學院等8所大學和貝爾實驗室,從事MEMS領域的研究與開發,美國國防部高級研究計劃局積極領導和支持MEMS的研究和軍事應用,現已建成一條MEMS標準工藝線,以促進新型元件/裝置的研究與開發。而美國大批量生產的硅加速度計把微型傳感器(機械部分)和集成電路集成在3mm×3mm的硅片內。

歐洲工業發達國家也相繼對微機電系統的研究開發進行了重點投資。德國自1988年開始設立了微系統計劃項目。德國科技部于1990年～1993年撥款4萬馬克支持微系統計劃研究,并把微系統列為本世紀初科技發展的重點。德國首創的LIGA工藝,即光刻、電鑄和塑鑄工藝,為MEMS的發展提供了新的技術手段,并已成為三維結構制作的優選工藝。德國利用LIGA工藝,已制成了懸臂梁、執行機構、微型泵、微型噴嘴、濕度傳感器、流量傳感器以及多種光學器件。

法國1993年啟動了投資7000萬法郎的“微系統與技術”項目。

歐盟組成“多功能微系統研究網絡NEXUS”,聯合協調46個研究所的研究。

瑞士基于其傳統的鐘表制造行業和小型精密機械工業的基礎,也投入MEMS的開發工作。1992年開始投資1000萬美元。

英國政府也制定了納米科學計劃,在機械、光學、電子學等領域列出8個項目進行研究與開發。

為了加強歐洲開發MEMS的力量,一些歐洲公司已組成MEMS開發集團。

在中國,MEMS傳感器的基礎性科研開發已取得顯著成果,但尚未具備大批量生產的能力,與國際上的產業化水平存在一定差距。

汽車應用提供廣闊市場

基于MEMS技術的微型傳感器具有降低汽車電子系統成本及提高其性能的優勢,它們已開始逐步取代基于傳統機電技術的傳感器。

在市場引導,科技推動,風險投入,政府介入等多重因素作用下,汽車MEMS傳感器發展迅速,現已成為相關部門爭先投資開發的熱點。

隨著納米技術的進步,體積更小、造價更低、功能更強的微型傳感器將廣泛應用在汽車的各個方面。在未來幾年內,包括發動機運行管理、廢氣與空氣質量控制、剎車防抱死系統、車輛動力學控制、自適應導航、車輛行駛安全系統在內的汽車應用將為MEMS技術提供廣闊的市場。

在高檔汽車中,每輛車大約采用25只到40只傳感器,技術上日趨成熟完善,可滿足汽車對可靠性高、精度準確、成本低的要求,極大地推動了電子技術在汽車上的應用。

發動機的電子控制一直被認為是MEMS技術在汽車中的主要應用領域之一,發動機控制系統用傳感器是整個汽車傳感器的核心,種類很多,包括溫度傳感器、壓力傳感器、位置和轉速傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和爆震傳感器等。這些傳感器向發動機的電子控制單元提供發動機的工作狀況信息,供電子控制單元對發動機工作狀況進行精確控制,以提高發動機的動力,降低油耗并減少廢氣排放。

目前,可以提供汽車MEMS壓力傳感器的有美國凱樂爾、特種測量、SSI、菲爾科、德州儀器、德國博世、日本電裝等公司,部分廠家已研制成功汽車MEMS壓力傳感器,如博世公司采用表面MEMS技術,研制出微型化的硅質量流量傳感器,很多汽車廠家正對這種新型傳感器進行評估。

多元化和集成化是趨勢

未來MEMS技術的主要發展趨勢是多元化和集成化,多元化趨勢包括研究方向多元化和加工工藝多元化。

MEMS技術的研究方向日益多元化,MEMS技術涉及的研究領域主要包括慣性器件,如加速度計與陀螺、AFM(原子力顯微鏡)、數據存儲、三維微型結構的制作、微型閥門、泵和微型噴口、流量器件、微型光學器件、各種執行體、微型機電器件性能模擬、封裝鍵合、醫用器件、實驗表征器件、壓力傳感器、麥克風以及聲學器件等眾多發展方向,應用內容涉及軍事、民用等各個應用領域。

加工工藝多元化是指多種工藝相結合,如:傳統的體硅加工工藝、表面犧牲層工藝、溶硅工藝、深槽刻蝕與鍵合相結合工藝、LIGA加工工藝、厚膠與電鍍相結合的金屬犧牲層工藝、MAMOS(金屬空氣MOSFET)工藝、體硅與表面犧牲層相結合工藝等,而具體的加工方法更是多種多樣。

此外,未來MEMS技術的系統單片集成化趨勢明顯。

由于一般傳感器的輸出信號(電流或電壓)很弱,如果將它連接到外部電路,那么寄生電容、電阻等的影響會徹底掩蓋有用的信號。因此采用靈敏元件外接處理電路的方法已不可能得到質量很高的傳感器,只有把兩者集成在一個芯片上,才能具有最好的性能。