MEMS對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的影響與前景

王鴻雁

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

MEMS對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的影響與前景

王鴻雁

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

美國(guó)生物學(xué)家貝塔朗非創(chuàng)立的系統(tǒng)論是信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)之一.系統(tǒng)論思想也已深入自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域.目前信息技術(shù)一體化已成為必然的發(fā)展趨勢(shì)，本文從信息技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)性要求出發(fā)，闡述了MEMS在信息技術(shù)一體化中的作用和在未來發(fā)展中的重要性.

MEMS;系統(tǒng)論；信息技術(shù)

M E M S是英文M i c r oE l e c t r oM e c h a n i c a ls y s t e m s的縮寫，即微電子機(jī)械系統(tǒng).微電子機(jī)械系統(tǒng)(M E M S)技術(shù)是建立在微米/納米技術(shù)（m i c r o/n a n o t e c h n o l o g y）基礎(chǔ)上的2 1世紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù).完整的M E M S是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng).其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平.它用微電子技術(shù)和微加工技術(shù)(包括硅體微加工、硅表面微加工、L I G A和晶片鍵合等技術(shù))相結(jié)合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價(jià)格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器和微系統(tǒng).

M E M S技術(shù)的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，采用M E M S技術(shù)制作的微傳感器、微執(zhí)行器、微型構(gòu)件、微機(jī)械光學(xué)器件、真空微電子器件、電力電子器件等在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景.M E M S技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，就象近2 0年來微電子產(chǎn)業(yè)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)給人類帶來的巨大變化一樣，M E M S也正在孕育一場(chǎng)深刻的技術(shù)變革并對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生新一輪的影響.目前M E M S市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品為壓力傳感器、加速度計(jì)、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅(qū)動(dòng)頭等.大多數(shù)工業(yè)觀察家預(yù)測(cè)，未來5年M E M S器件的銷售額將呈迅速增長(zhǎng)之勢(shì)，年平均增加率約為1 8%，因此對(duì)對(duì)機(jī)械電子工程、精密機(jī)械及儀器、半導(dǎo)體物理等學(xué)科的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).

M E M S是系統(tǒng)論思想在信息技術(shù)中最集中的體現(xiàn)和運(yùn)用.系統(tǒng)一詞，來源于古希臘語，是由部分構(gòu)成整體的意思.今天人們從各種角度上研究系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)下的定義不下幾十種.通常把系統(tǒng)定義為：由若干要素以一定結(jié)構(gòu)形式聯(lián)結(jié)構(gòu)成的具有某種功能的有機(jī)整體.系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的一般模式，結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)問，它研究各種系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型，是具有邏輯和數(shù)學(xué)性質(zhì)的一門新興的科學(xué).

系統(tǒng)思想源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，但作為一門科學(xué)的系統(tǒng)論，人們公認(rèn)是美籍奧地利人、理論生物學(xué)家貝塔朗非（L.V o n.B e r t al a n f f y）創(chuàng)立的.他在1 9 5 2年發(fā)表“抗體系統(tǒng)論”，提出了系統(tǒng)論的思想.1 9 3 7年提出了一般系統(tǒng)論原理，奠定了這門科學(xué)的理論基礎(chǔ).但是他的論文《關(guān)于一般系統(tǒng)論》，到1 9 4 5年才公開發(fā)表，他的理論到1 9 4 8年在美國(guó)再次講授“一般系統(tǒng)論”時(shí)，才得到學(xué)術(shù)界的重視.確立這門科學(xué)學(xué)術(shù)地位的是1 9 6 8年貝塔朗菲發(fā)表的專著：《一般系統(tǒng)理論基礎(chǔ)、發(fā)展和應(yīng)用》(《G e n e r a l S y s t e m T h e o r y;F o u n d a t i o n s,D e v e l o p ment,A pp l i c a t i o n s》）,該書被公認(rèn)為是這門學(xué)科的代表作.

系統(tǒng)論認(rèn)為，整體性、關(guān)聯(lián)性，等級(jí)結(jié)構(gòu)性、動(dòng)態(tài)平衡性、時(shí)序性等是所有系統(tǒng)的共同的基本特征.這些，既是系統(tǒng)所具有的基本思想觀點(diǎn)，而且它也是系統(tǒng)方法的基本原則，表現(xiàn)了系統(tǒng)論不僅是反映客觀規(guī)律的科學(xué)理論，具有科學(xué)方法論的含義，這正是系統(tǒng)論這門科學(xué)的特點(diǎn).

系統(tǒng)論的核心思想是系統(tǒng)的整體觀念.貝塔朗菲強(qiáng)調(diào)，任何系統(tǒng)都是一個(gè)有機(jī)的整體，它不是各個(gè)部分的機(jī)械組合或簡(jiǎn)單相加，系統(tǒng)的整體功能是各要素在孤立狀態(tài)下所沒有的新質(zhì).他用亞里斯多德的“整體大于部分之和”的名言來說明系統(tǒng)的整體性，反對(duì)那種認(rèn)為要素性能好，整體性能一定好，以局部說明整體的機(jī)械論的觀點(diǎn).同時(shí)認(rèn)為，系統(tǒng)中各要素不是孤立地存在著，每個(gè)要素在系統(tǒng)中都處于一定的位置上，起著特定的作用.要素之間相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體.要素是整體中的要素，如果將要素從系統(tǒng)整體中割離出來，它將失去要素的作用.正象人手在人體中它是勞動(dòng)的器官，一旦將手從人體中砍下來，那時(shí)它將不再是勞動(dòng)的器官了一樣.

系統(tǒng)論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對(duì)象，當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，研究系統(tǒng)、要素、環(huán)境三者的相互關(guān)系和變動(dòng)的規(guī)律性，并優(yōu)化系統(tǒng)觀點(diǎn)看問題，世界上任何事物都可以看成是一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)是普遍存在的.大至渺茫的宇宙，小至微觀的原子，一粒種子、一群蜜蜂、一臺(tái)機(jī)器、一個(gè)工廠、一個(gè)學(xué)會(huì)團(tuán)體、……都是系統(tǒng)，整個(gè)世界就是系統(tǒng)的集合.系統(tǒng)論反映了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)，反映了現(xiàn)代社會(huì)化大生產(chǎn)的特點(diǎn)，反映了現(xiàn)代社會(huì)生活的復(fù)雜性，所以它的理論和方法能夠得到廣泛地應(yīng)用.M E M S自身的特性使得它成為系統(tǒng)論思想的最集中體現(xiàn)，而M E M S的大行其道也是由信息技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)性要求所決定的.

M E M S是一種全新的必須同時(shí)考慮多種物理場(chǎng)混合作用的研發(fā)領(lǐng)域，相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械，它們的尺寸更小，最大的不超過一個(gè)厘米，甚至僅僅為幾個(gè)微米，其厚度就更加微小.采用以硅為主的材料，電氣性能優(yōu)良，硅材料的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度與鋁類似，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢.采用與集成電路（I C）類似的生成技術(shù)，可大量利用I C生產(chǎn)中的成熟技術(shù)、工藝，進(jìn)行大批量、低成本生產(chǎn)，使性價(jià)比相對(duì)于傳統(tǒng)“機(jī)械”制造技術(shù)大幅度提高.

完整的M E M S是由微傳感器、微執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、通訊接口和電源等部件組成的一體化的微型器件系統(tǒng).其目標(biāo)是把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，組成具有多功能的微型系統(tǒng)，集成于大尺寸系統(tǒng)中，從而大幅度地提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和可靠性水平.

沿著系統(tǒng)及產(chǎn)品小型化、智能化、集成化的發(fā)展方向，可以預(yù)見：M E M S會(huì)給人類社會(huì)帶來另一次技術(shù)革命，它將對(duì)2 1世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)方式和人類生產(chǎn)質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，是關(guān)系到國(guó)家科技發(fā)展、國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)繁榮的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).

制造商正在不斷完善手持式裝置，提供體積更小而功能更多的產(chǎn)品.但矛盾之處在于，隨著技術(shù)的改進(jìn)，價(jià)格往往也會(huì)出現(xiàn)飆升，所以這就導(dǎo)致一個(gè)問題：制造商不得不面對(duì)相互矛盾的要求——在讓產(chǎn)品功能超群的同時(shí)降低其成本.

解決這一難題的方法之一是采用微機(jī)電系統(tǒng)，更流行的說法是M E M S，它使得制造商能將一件產(chǎn)品的所有功能集成到單個(gè)芯片上.M E M S對(duì)消費(fèi)電子產(chǎn)品的終極影響不僅包括成本的降低、而且也包括在不犧牲性能的情況下實(shí)現(xiàn)尺寸和重量的減小.事實(shí)上，大多數(shù)消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用M E M S元件的性能比已經(jīng)出現(xiàn)的同類技術(shù)大有提高.

手持式設(shè)備制造商正在逐漸意識(shí)到M E M S的價(jià)值以及這種技術(shù)所帶來的好處——大批量、低成本、小尺寸，而且開始轉(zhuǎn)向成功的M E M S公司，其所實(shí)現(xiàn)的成本削減幅度之大，將影響整個(gè)消費(fèi)類電子世界，而不僅是高端裝置.M E M S在整個(gè)2 0世紀(jì)9 0年代都由汽車工業(yè)主導(dǎo)；在過去幾年中，由于i P h o n e和Wi i的出現(xiàn)，使全世界的工程師都看到運(yùn)動(dòng)傳感器帶來的創(chuàng)新，使M E M S在消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，成為改變終端產(chǎn)品用戶體驗(yàn)以及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化的核心要素.

國(guó)內(nèi)M E M S芯片（D i e）供應(yīng)商主要有：上海微系統(tǒng)所、沈陽儀表所、電子部1 3研究所、北京微電子所等，目前形成生產(chǎn)的主要是M E M S壓力傳感器芯片（D i e）.

M E M S第一輪商業(yè)化浪潮始于2 0世紀(jì)7 0年代末8 0年代初，當(dāng)時(shí)用大型蝕刻硅片結(jié)構(gòu)和背蝕刻膜片制作壓力傳感器.由于薄硅片振動(dòng)膜在壓力下變形，會(huì)影響其表面的壓敏電阻走線，這種變化可以把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào).后來的電路則包括電容感應(yīng)移動(dòng)質(zhì)量加速計(jì)，用于觸發(fā)汽車安全氣囊和定位陀螺儀.

第二輪商業(yè)化出現(xiàn)于2 0世紀(jì)9 0年代，主要圍繞著P C和信息技術(shù)的興起.T I公司根據(jù)靜電驅(qū)動(dòng)斜微鏡陣列推出了投影儀，而熱式噴墨打印頭現(xiàn)在仍然大行其道.

第三輪商業(yè)化可以說出現(xiàn)于世紀(jì)之交，微光學(xué)器件通過全光開關(guān)及相關(guān)器件而成為光纖通訊的補(bǔ)充.盡管該市場(chǎng)現(xiàn)在蕭條，但微光學(xué)器件從長(zhǎng)期看來將是M E M S一個(gè)增長(zhǎng)強(qiáng)勁的領(lǐng)域.

目前M E M S產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)的新趨勢(shì)是產(chǎn)品應(yīng)用的擴(kuò)展，其開始向工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試儀器等新領(lǐng)域擴(kuò)張.推動(dòng)第四輪商業(yè)化的其它應(yīng)用包括一些面向射頻無源元件、在硅片上制作的音頻、生物和神經(jīng)元探針，以及所謂的“片上實(shí)驗(yàn)室”生化藥品開發(fā)系統(tǒng)和微型藥品輸送系統(tǒng)的靜態(tài)和移動(dòng)器件.

在M E M S領(lǐng)域摩爾定律將不再適用，某個(gè)具備質(zhì)量的物體是無法按照摩爾定律闡述的規(guī)律將體積縮小和提高集成度的.M E M S系統(tǒng)集成度的提高途徑會(huì)與傳統(tǒng)晶體管迥異，將主要通過空間的三維集成方式.

第一次工業(yè)革命將能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)，開創(chuàng)了機(jī)器的時(shí)代；第二次革命的標(biāo)志是以晶體管為代表的半導(dǎo)體行業(yè)的興起，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算能力的提升；而第三次革命將由傳感器件主導(dǎo).M E M S的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)簡(jiǎn)單的微器件，因?yàn)槿绻隳軐C(jī)械、計(jì)算和感知這三次技術(shù)革命的成果有機(jī)地整合到一起，你將獲得真正的，甚至能與人類相匹敵的智能“生命體”.此外，M E M S最核心的部分是將器件、信號(hào)處理、算法等多方面整合起來的能力.

“我們目前處在一個(gè)機(jī)器感知的技術(shù)時(shí)代，M E M S傳感器將普通的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為用戶交互式操作的一部分.M E M S的增長(zhǎng)將突破某個(gè)領(lǐng)域的局限.其在汽車中大量應(yīng)用之后又用于醫(yī)療領(lǐng)域；今天在消費(fèi)產(chǎn)品和體育、保健等電子產(chǎn)品中顯現(xiàn)了更大的潛力.M E M S今后將如何發(fā)展？我認(rèn)為首先依賴于更多應(yīng)用上的創(chuàng)新；第二是制造技術(shù)上的進(jìn)步，即如何將產(chǎn)品性價(jià)比變得更高，如何使更多的軟件和算法能集成到器件中來，并實(shí)現(xiàn)即插即用等功能.”

從目前來看，信息技術(shù)一體化的要求越來越迫切，可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來高度一體化的信息設(shè)備將成為社會(huì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一.由此看來，M E M S的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)簡(jiǎn)單的微器件，M E M S最核心的部分是將器件、信號(hào)處理、算法等多方面整合起來的能力.只有通過M E M S，我們才有可能在最大程度上實(shí)現(xiàn)全球信息一體化的美好夢(mèng)想.

〔1〕http://baike.baidu.com/view/37086.htm?fr=ala0_1_1.

〔2〕魏洪森.系統(tǒng)論.世界圖書出版公司，2009.

〔3〕http://www.esmchina.com/TECHTERM/ART/MEMS.HTM.

〔4〕http://article.ednchina.com/Other/Intelligent_machines_MEMS_driven_third_revolution.

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1673-260X（2010）10-0039-02

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（NJzc08157）