[科普中國(guó)]-微型機(jī)電系統(tǒng)

微型機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System: MEMS）是指那些外形輪廓尺寸在毫米量級(jí)以下，構(gòu)成元件是微米量級(jí)的可控制、可運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)電裝置，它是自微電子技術(shù)問世以來，人們不斷追求高新技術(shù)微型化的必然結(jié)果。

簡(jiǎn)介有如孫悟空鉆入鐵扇公主的肚子里一樣，微型機(jī)械小蟲能夠完成常人無法想象的任務(wù)。比如它能夠鉆入對(duì)方的裝置和設(shè)備中，導(dǎo)致對(duì)方的作戰(zhàn)機(jī)器失靈，最終逼迫對(duì)方投降。這是微電機(jī)技術(shù)發(fā)展在戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)用的結(jié)果。1

研究過程在70年代初人們就開始MEMS的探索研究，直到80年代，這個(gè)領(lǐng)域才有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。它使用最新的納米材料技術(shù)，使得電機(jī)的體積驚人地減小。這樣的技術(shù)在軍事上無疑將有很大的用處，這些應(yīng)用主要包括有：微型機(jī)器人電子失能系統(tǒng)；螞蟻機(jī)器人；分布式戰(zhàn)場(chǎng)微型傳感器網(wǎng)絡(luò)；有害化學(xué)戰(zhàn)劑報(bào)警系統(tǒng)；微型敵我識(shí)別等方面。1

組成部分微型機(jī)器人電子失能系統(tǒng)是一種特定的MEMS，它具有六個(gè)部分，包括傳感器系統(tǒng)、信息處理與自主導(dǎo)系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)系統(tǒng)、破壞系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源。這種MEMS具有一定的自主能力，并擁有初步的機(jī)動(dòng)能力，當(dāng)需要攻擊敵方的電子系統(tǒng)時(shí)，無人駕駛飛機(jī)就投放這些MEMS。其中的一種方案是利用昆蟲作為平臺(tái)，通過刺激昆蟲的神經(jīng)來控制昆蟲完成接近目標(biāo)的過程。通過這樣的MEMS可以無聲無息地破壞敵方的主要目標(biāo)，有相當(dāng)?shù)膽?zhàn)略意義。

螞蟻機(jī)器人，是一種可以通過聲音來控制的MEMS，螞蟻機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能量來自于一個(gè)能把聲音轉(zhuǎn)換成為能量的微型話筒，人們利用它潛伏到敵方的關(guān)鍵設(shè)備中，當(dāng)需要啟動(dòng)時(shí)，控制中心發(fā)出遙控信號(hào)，螞蟻機(jī)器人就開始吞噬對(duì)方的關(guān)鍵設(shè)備。螞蟻機(jī)器人能夠非常得小，能夠在人的血管中進(jìn)出自由，這樣在民用方面，也可以完成非常復(fù)雜和精細(xì)的醫(yī)學(xué)手術(shù)。

分布式戰(zhàn)場(chǎng)微型傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過大量散播廉價(jià)的、可隨意使用的微型傳感器系統(tǒng)來完成對(duì)敵方系統(tǒng)更加嚴(yán)密的調(diào)查和監(jiān)視。MEMS本身非常小，無法被肉眼觀察到，就是儀器也很難精確地測(cè)定其位置，所以就很難受到攻擊了，這樣的系統(tǒng)組成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)，敵方的一舉一動(dòng)都能夠非常清楚地了解到，因此對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的監(jiān)視理論是一個(gè)新的發(fā)展。

特定的MEMS加上一個(gè)計(jì)算機(jī)芯片就能夠構(gòu)成一個(gè)袖珍質(zhì)譜儀，可以在戰(zhàn)場(chǎng)上檢測(cè)化學(xué)制劑。一個(gè)這樣的傳感器系統(tǒng)只有一個(gè)紐扣這樣大小，能夠最大地減少價(jià)格昂貴的觸媒劑或者生物媒介的用量，還可以配備合適的解毒劑來擴(kuò)展功能。在化學(xué)武器日益發(fā)達(dá)的未來戰(zhàn)場(chǎng)，檢測(cè)化學(xué)制劑的MEMS必將能夠起到關(guān)鍵的預(yù)測(cè)、監(jiān)控和預(yù)報(bào)作用。1

作用微型敵我識(shí)別裝置能夠在紛繁雜亂的戰(zhàn)場(chǎng)上，通過傳感器和智能識(shí)別技術(shù)，判斷出敵我目標(biāo)，避免不必要的錯(cuò)誤。大量的廉價(jià)的識(shí)別裝置的共同使用更加能夠增加判斷的可靠性。

綜合上面所述，MEMS之所以能夠完成大量的功能是因?yàn)樗牧畠r(jià)、微小、智能化、可控性的特點(diǎn)。MEMS的技術(shù)現(xiàn)在還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有發(fā)展成熟，在未來的發(fā)展中，軍事上的需求將是MEMS的一個(gè)主要的發(fā)展方向，也必然能在未來推動(dòng)軍事的不斷發(fā)展，向軍事微觀化邁出關(guān)鍵的一步。2

制造工藝微米/納米技術(shù)包括了從亞毫米到亞微米范圍內(nèi)的材料、工藝和裝置的加工制造和綜合集成。微米制造技術(shù)包括對(duì)微米材料的加工和制造。它的制造工藝包括光刻、刻蝕、淀積、外延生長(zhǎng)、擴(kuò)散、離子注入、測(cè)試、監(jiān)測(cè)與封裝。納米制造技術(shù)和工藝除了包括微米制造的一些技術(shù)（如離子束光刻等）與工藝外，還包括為了利用材料的本質(zhì)特性而對(duì)材料進(jìn)行分子和原子量級(jí)的加工與排列技術(shù)和工藝等。

目前，研究人員正致力于探索微型機(jī)電系統(tǒng)的制造方法與途徑。制造大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)與工藝自然是最容易實(shí)現(xiàn)的方法與途徑。這樣就有技術(shù)成熟、設(shè)備可以利用、批量生產(chǎn)容易、經(jīng)費(fèi)相對(duì)節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)，但是，目前對(duì)這一途徑的認(rèn)識(shí)并非完全一致。首先，與大規(guī)模集成電路一樣，微型機(jī)電系統(tǒng)與專用集成微型儀器是可以利用微電子制造技術(shù)和工藝方法來批量制造出來的。大規(guī)模集成電路的制造技術(shù)一直在不斷地追求高集成度的芯片，但當(dāng)計(jì)算機(jī)芯片線寬尺寸進(jìn)一步縮小的時(shí)候，就出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如當(dāng)芯片線寬尺寸為 150 μm以下時(shí)，由于量子力學(xué)效應(yīng)的增強(qiáng)，原先把電子看作為粒子的微電子技術(shù)的理論將不再有效，而需要研制利用電子波動(dòng)的量子效應(yīng)原理而制作的器件，即所謂量子器件或稱作納米器件。也就是說，當(dāng)制造裝置小到一定尺寸的時(shí)候，就必須按照分子工程的理論（即量子力學(xué)理論）來構(gòu)筑分子部件，納米技術(shù)的核心就是裝配分子?；蛘哒f，是按照人們的意愿直接操縱原子、分子、或原子團(tuán)、分子團(tuán)，來制造出符合人們需要的具備特殊功能的部件和系統(tǒng)。此外，特別是在加工三維微型結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組裝時(shí)，傳統(tǒng)的方法也很受限制。簡(jiǎn)而言之，爭(zhēng)論的焦點(diǎn)就在于，是繼續(xù)沿襲傳統(tǒng)的硅基制造方法，還是另辟蹊徑，尋找其他制造方法。其他制造方法包括LIGA工藝（光刻、電鍍成形、鑄塑）、聲激光刻蝕、非平面電子束光刻、真空鍍膜（濺射）、硅直接鍵合、電火花加工、金剛石微量切削加工，甚至于使用了傳統(tǒng)的鐘表加工技術(shù)等等。目前，國(guó)際上比較重視的微型機(jī)電系統(tǒng)的制造技術(shù)有犧牲層硅工藝、體微切削加工技術(shù)、LIGA工藝和準(zhǔn)LIGA工藝等，新的微型機(jī)械加工方法還在不斷涌現(xiàn)，這些方法從微電機(jī)的加工，一直到鐘表加工技術(shù)，以及多晶硅的熔煉和聲激光刻蝕等等。2

加工材料MEMS技術(shù)采用的材料一般可分為襯底材料和附加材料兩類。目前微機(jī)械加工采用的襯底材料以硅為主。選用晶態(tài)半導(dǎo)體材料是因?yàn)樗哂行阅軆?yōu)異、容易得到、有多種成熟的加工工藝、與晶面有關(guān)的各向異性使之適于微機(jī)械加工及具有集成有源電路的潛力等諸多優(yōu)點(diǎn)。襯底材料則可以是其他非半導(dǎo)體材料，包括金屬、玻璃、石英、其他晶態(tài)絕緣體、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有機(jī)和無機(jī)材料。起換能器作用的功能材料可以加在襯底上或作為襯底。

沉積在襯底上的材料（薄膜）包括硅（單晶硅、多晶硅、非晶態(tài)硅）、硅化合物（SiO2、SiC等）、金屬和金屬化合物（如Au、Cu、Ni、Al、ZnO 、GaAs、CDS）、多種陶瓷材料、金剛石和有機(jī)材料（如高聚物、酶、抗體、DNA、RNA）等。將這些材料附加到半導(dǎo)體襯底材料上，還可以集成有源電路。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所