[科普中国]-微型机电系统

微型机电系统（Micro Electro Mechanical System: MEMS）是指那些外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成元件是微米量级的可控制、可运动的微型机电装置，它是自微电子技术问世以来，人们不断追求高新技术微型化的必然结果。

简介有如孙悟空钻入铁扇公主的肚子里一样，微型机械小虫能够完成常人无法想象的任务。比如它能够钻入对方的装置和设备中，导致对方的作战机器失灵，最终逼迫对方投降。这是微电机技术发展在战争中应用的结果。1

研究过程在70年代初人们就开始MEMS的探索研究，直到80年代，这个领域才有了实质性的进展。它使用最新的纳米材料技术，使得电机的体积惊人地减小。这样的技术在军事上无疑将有很大的用处，这些应用主要包括有：微型机器人电子失能系统；蚂蚁机器人；分布式战场微型传感器网络；有害化学战剂报警系统；微型敌我识别等方面。1

组成部分微型机器人电子失能系统是一种特定的MEMS，它具有六个部分，包括传感器系统、信息处理与自主导系统、机动系统、破坏系统和驱动电源。这种MEMS具有一定的自主能力，并拥有初步的机动能力，当需要攻击敌方的电子系统时，无人驾驶飞机就投放这些MEMS。其中的一种方案是利用昆虫作为平台，通过刺激昆虫的神经来控制昆虫完成接近目标的过程。通过这样的MEMS可以无声无息地破坏敌方的主要目标，有相当的战略意义。

蚂蚁机器人，是一种可以通过声音来控制的MEMS，蚂蚁机器人的驱动能量来自于一个能把声音转换成为能量的微型话筒，人们利用它潜伏到敌方的关键设备中，当需要启动时，控制中心发出遥控信号，蚂蚁机器人就开始吞噬对方的关键设备。蚂蚁机器人能够非常得小，能够在人的血管中进出自由，这样在民用方面，也可以完成非常复杂和精细的医学手术。

分布式战场微型传感器网络是通过大量散播廉价的、可随意使用的微型传感器系统来完成对敌方系统更加严密的调查和监视。MEMS本身非常小，无法被肉眼观察到，就是仪器也很难精确地测定其位置，所以就很难受到攻击了，这样的系统组成一个庞大的网络，敌方的一举一动都能够非常清楚地了解到，因此对战争的监视理论是一个新的发展。

特定的MEMS加上一个计算机芯片就能够构成一个袖珍质谱仪，可以在战场上检测化学制剂。一个这样的传感器系统只有一个纽扣这样大小，能够最大地减少价格昂贵的触媒剂或者生物媒介的用量，还可以配备合适的解毒剂来扩展功能。在化学武器日益发达的未来战场，检测化学制剂的MEMS必将能够起到关键的预测、监控和预报作用。1

作用微型敌我识别装置能够在纷繁杂乱的战场上，通过传感器和智能识别技术，判断出敌我目标，避免不必要的错误。大量的廉价的识别装置的共同使用更加能够增加判断的可靠性。

综合上面所述，MEMS之所以能够完成大量的功能是因为它的廉价、微小、智能化、可控性的特点。MEMS的技术现在还远远没有发展成熟，在未来的发展中，军事上的需求将是MEMS的一个主要的发展方向，也必然能在未来推动军事的不断发展，向军事微观化迈出关键的一步。2

制造工艺微米/纳米技术包括了从亚毫米到亚微米范围内的材料、工艺和装置的加工制造和综合集成。微米制造技术包括对微米材料的加工和制造。它的制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积、外延生长、扩散、离子注入、测试、监测与封装。纳米制造技术和工艺除了包括微米制造的一些技术（如离子束光刻等）与工艺外，还包括为了利用材料的本质特性而对材料进行分子和原子量级的加工与排列技术和工艺等。

目前，研究人员正致力于探索微型机电系统的制造方法与途径。制造大规模集成电路的制造技术与工艺自然是最容易实现的方法与途径。这样就有技术成熟、设备可以利用、批量生产容易、经费相对节省等优点，但是，目前对这一途径的认识并非完全一致。首先，与大规模集成电路一样，微型机电系统与专用集成微型仪器是可以利用微电子制造技术和工艺方法来批量制造出来的。大规模集成电路的制造技术一直在不断地追求高集成度的芯片，但当计算机芯片线宽尺寸进一步缩小的时候，就出现了一个转折点。如当芯片线宽尺寸为 150 μm以下时，由于量子力学效应的增强，原先把电子看作为粒子的微电子技术的理论将不再有效，而需要研制利用电子波动的量子效应原理而制作的器件，即所谓量子器件或称作纳米器件。也就是说，当制造装置小到一定尺寸的时候，就必须按照分子工程的理论（即量子力学理论）来构筑分子部件，纳米技术的核心就是装配分子。或者说，是按照人们的意愿直接操纵原子、分子、或原子团、分子团，来制造出符合人们需要的具备特殊功能的部件和系统。此外，特别是在加工三维微型结构和系统组装时，传统的方法也很受限制。简而言之，争论的焦点就在于，是继续沿袭传统的硅基制造方法，还是另辟蹊径，寻找其他制造方法。其他制造方法包括LIGA工艺（光刻、电镀成形、铸塑）、声激光刻蚀、非平面电子束光刻、真空镀膜（溅射）、硅直接键合、电火花加工、金刚石微量切削加工，甚至于使用了传统的钟表加工技术等等。目前，国际上比较重视的微型机电系统的制造技术有牺牲层硅工艺、体微切削加工技术、LIGA工艺和准LIGA工艺等，新的微型机械加工方法还在不断涌现，这些方法从微电机的加工，一直到钟表加工技术，以及多晶硅的熔炼和声激光刻蚀等等。2

加工材料MEMS技术采用的材料一般可分为衬底材料和附加材料两类。目前微机械加工采用的衬底材料以硅为主。选用晶态半导体材料是因为它具有性能优异、容易得到、有多种成熟的加工工艺、与晶面有关的各向异性使之适于微机械加工及具有集成有源电路的潜力等诸多优点。衬底材料则可以是其他非半导体材料，包括金属、玻璃、石英、其他晶态绝缘体、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有机和无机材料。起换能器作用的功能材料可以加在衬底上或作为衬底。

沉积在衬底上的材料（薄膜）包括硅（单晶硅、多晶硅、非晶态硅）、硅化合物（SiO2、SiC等）、金属和金属化合物（如Au、Cu、Ni、Al、ZnO 、GaAs、CDS）、多种陶瓷材料、金刚石和有机材料（如高聚物、酶、抗体、DNA、RNA）等。将这些材料附加到半导体衬底材料上，还可以集成有源电路。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所